文献分享 | 关于大肠杆菌共培养生产色胺的相关文献

文献标题：Developing E. coli-E. coli co-cultures to overcome barriers of heterologous tryptamine biosynthesis

DOI号：https://doi.org/10.1016/j.mec.2019.e00110

关键词：共培养，细胞选择系统，色胺

内容摘要：

通过大肠杆菌和大肠杆菌共培养来生产色胺，其中在上游的大肠肝菌中引入了生物传感器辅助细胞选择系统，来增强色氨酸的产量，下游会产生更多的色胺。

主要内容：

1.背景

色胺是一种生物胺，是许多重要的生物活性分子的前体，因此将色氨酸脱羧再整合到色氨酸生物合成途径中，可以产生色胺，到那时到目前为止，还没有致力于使用简单的碳底物来从头合成色胺及其优化。

2.思路

使用共培养系统，上游使用简单的底物葡萄糖或甘油合成色氨酸，下游将色氨酸转化成色胺，通过调节上下游菌株亚群之间的比例，来操控色氨酸的供应和消耗，从而实现途径的平衡。其中值得注意的是，色氨酸可以穿过细胞膜，使得两个途径的连接成为可能。

并且引入了两个生物传感器辅助细胞选择系统，增强共培养系统上游菌株的色氨酸生物生产。第一个系统是tnaC-tetA系统，高色氨酸浓度的时候开启tetA的表达，使细胞可以再有四环素的条件下生长。第二个系统使mtr启动子和毒素基因hipA，高色氨酸浓度关闭了毒性基因的表达，促进了细胞的生长。加入这两个系统后产物明显升高。

3.实现

3.1共培养系统

使用BTP1作为色氨酸过量生产的菌株，XYD作为色氨酸到色胺的转化菌株。以葡萄糖作为底物，优化接种比例，当BTP1过量接种的时候，色氨酸的供应过高，导致下游菌株的密度较小，色氨酸到色胺的生物转化不足，当下游的菌株接种的比例较高时，上游的色氨酸供应减小，也导致产物的下降，9：1为最终确定的最佳比例，但是也有56 mg/L色氨酸的累积。以甘油作为底物的结果相类似，但是葡萄糖的产量比甘油更高，因而葡萄糖应该是较好的碳源。然而在大多数的接种比例下，培养物中几乎没有观察到色氨酸的积累，因而表明构建的共培养物有着强大的色胺转化能力，因此上游的色氨酸的供应应该是共培养中的限速步骤。

3.2细胞选择系统的构建

为了改善上述的问题，在上游的菌株中引入了两种不同的生物传感辅助细胞选择系统，每个系统都含有一个色氨酸响应生物传感器和生长调节基因，根据色氨酸的浓度，来调节细胞的生长或者死亡。

第一个系统：构建菌株BLXS含有pTS质粒，其中通过使用大肠杆菌的tnaCAB操纵子的前导肽基因来控制tetA的表达，用BLXC来做对照，因为高浓度的色氨酸可能对细胞有一定的毒性，因此对照组细菌的密度呈下降趋势，而导入高系统的BLXS呈上升的趋势。

图1 （A)构建的通路。当色氨酸的浓度较高时，tetA的表达量增加，抗四环素

(B)在葡萄糖的条件下，实验组(BLXC)和对照组(BLXS)的生长趋势

(C)甘油作为碳源的生长条件下，实验组(BLXC)和对照组(BLXS)的生长趋势

(D)以葡萄糖和甘油为碳底物的BTXC和BTS之间的色氨酸生物合成比较。

第二个系统使用的时mtr大肠杆菌中的色氨酸响应的启动子，通过色氨酸结合蛋白TrpR控制毒素hipA的基因的表达。在最佳比例下，使用mtr-hipA系统比使用tnaC-tetA细胞选择系统的共培养物产量高79%，说明毒素系统更有效。

4.讨论

细胞选择机制时从微生物的群体中去除低性能的细胞，已被证明时在单一的培养背景下增强目标产物的有效方法。使用毒素系统更为方便，因为如果引入新的抗生素，还需对下游的基因进行修饰，最大限度的减少对下游菌株生长的影响。

个人评价：

该文献是通过产物的产量来控制菌群的密度，他发现了产生色胺的主要限速步骤是色氨酸的生产，因此色氨酸的含量越多，色胺的生产相对就越多，因此使用了细胞的选择机制，来筛选可以高效的产生色氨酸的菌株，虽然种群密度有所下降，但是总产量升高了。