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代谢工程在微生物法产辅酶Q_(10)中的应用



全 文 :综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2010年第 10期
代谢工程在微生物法产辅酶 Q10中的应用
武斌  王伟建  李炎生  钟卫鸿
(浙江工业大学生物与环境工程学院,杭州 310032 )
  摘  要:  辅酶 Q
10
作为细胞呼吸链上的重要组成部分在电子传递过程中发挥着重要的作用。辅酶 Q
10
的抗氧化、抗衰老
功能使其广泛应用于医药、食品和化妆品等行业。 CoQ 10市场需求不断增加, 这使得大规模提高 CoQ10工业化生产的产量显得
十分必要。目前, 主要依靠从自然界中筛选到的各种微生物作为生产菌种发酵生产 CoQ10, 但这些原始生产菌种由于产量低、
营养要求高等各种原因很难实现大规模发酵生产。随着对 CoQ10生物合成途径以及代谢调控机制的了解清楚,通过对易于商
业化生产的优良宿主细胞 (如大肠杆菌 )进行代谢工程的改造,有助于促进代谢工程菌的 CoQ
10
工业化生产发展。
关键词:  抗氧化剂  呼吸链  调控机制  代谢工程
Application ofM etabolic Engineering in CoQ10 Production byM icrobes
Wu B in W angW eijian L iYansheng ZhongW eihong
(College of Biological and Environm ental Engineering, Zhejiang University of T echnology, H angzhou 310032 )
  Abstrac:t  CoQ 10 plays an importan t role in the cell e lectron transfer system as an ing redien t of resp iration cha in. CoQ10 has been
w idely used as an antiox idant in pharm aceuticals, food and co sm etics, the dem ands o fwh ich have been g radua lly increasing for its s ignif
icant phys io log ica l functions, wh ich m akes it urgently necessary to improve y ield greatly by commerc ial production. A t present, CoQ10
w asm a in ly produced bym icrob ia l ferm enta tion using natura lly ex isting producers. H ow ever, it seem s to be d ifficult to achieve industr ia l
scale production o f CoQ10 for various reasons, such as low productiv ity and dem anding nutr ient requ irem ents. A s the know ledge of b io
synthetic pathw ay of CoQ 10 and its regulato ry mechan ism be ing increased, it is po ssib le to industr ia lly produce the CoQ10 in the years to
com e by gene tica lly eng ineering o f CoQ10 production in hosts that are su itab le for comm erc ia l fe rmentation.
Key words:  Antiox idant Respiration cha in Regu la tory m echanism M etabo lic eng ineering
收稿日期: 20100406
基金项目:浙江省生物化工重中之重学科开放基金项目
作者简介:武斌,男,硕士研究生,研究方向:应用微生物学与基因工程; Em ai:l .i .l b igcat@ 163. com
通讯作者:钟卫鸿, Em ai:l wh zhong@ z jut. edu. cn
辅酶 Q ( CoQ )是一种存在于原核生物细胞膜以
及真核生物线粒体内膜电子传递链上的脂溶性醌类
化合物。微生物发酵法合成的 CoQ 10无光学异构
体,生物活性高, 临床应用效果好 [ 1]。不同的生物
产不同种类的辅酶 Q, 如酿酒酵母主要产 CoQ 6, 大
肠杆菌主要产 CoQ8, 人类和 Agrobacterium tumefa
ciens主要产 CoQ 10 [ 2, 3]。其中 CoQ 10有着许多重要的
生理功能,如可以作为细胞呼吸链的一部分参与细
胞的能量代谢 [ 4] ; 作为一种重要的抗氧化剂保护线
粒体膜蛋白以及 DNA免受自由基的氧化损伤 [ 5] ;还
可以参与基因的表达调控 [ 6]。 CoQ10已经成功地用
于某些疾病的预防与治疗,临床上对各类癌症、心脏
病、急慢性肝炎、糖尿病和帕金森等疾病表现了很好
的功效 [ 710]。
代谢工程是通过改变细胞内有关的酶活、酶量
和输送体系、调节功能, 改变细胞的遗传特性以改进
微生物某些代谢活性,最大限度地提高目的产物产
率的一门技术 [ 11 ] ,通常包括对细胞体系进行细胞代
谢流的分析,代谢网络的结构分析以及代谢控制分
析, 以及根据分析结果对目的菌株进行遗传改造,构
建可用于工业生产的优良菌株 [ 12]。
代谢流量分析 (M FA )是一种通过对生物体内
代谢流的分布及其变化规律的了解, 在一定的培养
条件下计算流经各种代谢途径的相关代谢物质流量
生物技术通报 B iotechnology  Bulletin 2010年第 10期
的技术 [ 13 ]。吴祖芳等 [ 14]发现, CoQ 10的生物合成很
大程度上取决于 CoQ 10生物合成途径中催化 DPP
(聚十异戊二烯焦磷酸 )的合成和 PHB ( 4羟基苯甲
酸 )与 DPP的缩合反应的两种关键酶活性。
由于大肠杆菌遗传背景的较为清楚, 遗传修饰
较容易以及易于大规模发酵生产等原因, 使得目前
利用代谢工程手段对 CoQ10生物合成途径进行遗传
修饰和改造的研究主要集中在大肠杆菌中。对 E.
coli中的 CoQ生物合成途径进行修饰和改造, 可以
从以下两个方面进行代谢工程改造来实现: 提高通
向 CoQ的代谢流,构建新的代谢途径。
1 提高通向 CoQ的代谢流
近年,国内外相继对 CoQ的生物合成途径进行
了深入研究。CoQ 10的生物合成由 10步反应组成,
包括甲基化、脱羧、羟基化以及类异戊二烯化 [ 15]如
图 1所示。在细菌中, 醌环可由 4羟基苯甲酸
(pHB )通过莽草酸途径合成得到, 其中 UbiC和
Ub iA是醌环合成途径中的两种重要的酶。聚异戊
烯侧链合成的前体为异戊烯基焦磷酸 ( IPP)和二甲
基烯丙焦磷酸 ( DMAPP) ,在不同微生物体内两种前
体分别由不同的途径合成得到。在细菌中这两个前
体物由 MEP ( 4磷酸 2甲基 赤藓糖醇 )途径合成,
真核生物则是经 MVA (甲羟戊酸 )途径合成得到的,
DXS(磷酸脱氧木酮糖合成酶 )是 MEP途径中的限
速酶。 PPP(聚异戊烯侧链 )在 PPP PHB转移酶作
用下转移到芳香环上, 再在一系列 ub i基因编码的
合成酶的作用完成 CoQ10的合成。
提高通向目标产物的代谢流的手段通常有:增
强催化限速反应的酶的表达量或活性, 从而提高代
谢流; 在有竞争途径或者是分支代谢途径存在时,阻
断有害的或无关的竞争代谢途径代谢产物的合成,
从而达到改变代谢流,提高目标产物产量的目的;强
化整个代谢途径的代谢流量, 使得目标产物含量
增加 [ 16]。
1. 1 增强催化限速反应的酶的表达量或活性
在 CoQ生物合成途径中有一个重要的限速
酶 ! 4羟基苯甲酸聚异戊二烯焦磷酸转移酶, 主要
负责催化 pHB与 PPP的缩合反应, 该酶专一性不
强,在 E. coli中主要是由 ubiA基因编码;在 Saccha
romyces cerevisiae中由 coq2基因编码; 在 S chizosac
charomyces pombe由 ppt1基因编码。Zhang等 [ 17]将
来自 E. coli、S. cerevisiae、S. p ombe的 ub iA、coq2、ppt1
基因分别与来自 A. tumefaciens的 dps基因组成由单
一启动子控制的操纵子并转化到 A. tumefaciens中,
结果发现能够表达 ub iA、coq2、ppt1基因的重组 A.
tumefaciens CoQ10的含量得到较大的提高。如果将
ub iA基因置于光合细菌启动子的控制之下,可以实
现在光合细菌中的大量表达 [ 18] , 这可能是因为
ub iA基因表达产物取代或增强了重组菌内源性的
4羟苯甲酸聚异戊二烯焦磷酸转移酶的活性, 使重
组菌合成 CoQ 10的能力大幅度提升。
E 4P. 4磷酸赤藓糖; PEP. 酸烯醇丙酮酸盐; Chorism ate. 分支
酸; pHBA.对羟基苯甲酸; GAP. 3磷酸甘油醛; Pyr.丙酮酸;
MEP. 4磷酸 2甲基 赤藓糖醇; A cetylCoA. 乙酰 C oA; MVA.
甲羟戊酸; DXS.磷酸脱氧木酮糖合成酶; DXP. 5磷酸 1脱氧 
木酮糖; IPP. 异戊烯基焦磷酸; DMAPP. 二甲基烯丙焦磷酸;
FPP.法尼基焦磷酸; SAM. S腺苷甲硫氨酸; DPS.十异戊二烯
焦磷酸合酶; DPP.聚十异戊二烯焦磷酸; MK.维生素; DMK.脱
甲基维生素 K2; Ub iA. 对羟基苯甲酸聚异戊烯基转移酶;
Ub iB. 2八异戊烯苯酚羟化酶; Ub iC. 分支酸丙酮酸裂解酶;
Ub iD /U b iX. 3异戊烯基 4羟基苯甲酸脱羧酶; Ub iG. 2八异戊
烯基 6羟基苯酚甲基化酶 /2八异戊烯基 3甲基 5羟基 6甲
氧基 1, 4苯醌甲基化转移酶; U bHi . 2八异戊烯基 6甲氧基苯
酚羟基化酶
图 1 辅酶 Q10的生物合成途径
在 E. coli中,聚异戊二烯侧链通过 MEP途径合
成得到,而 5磷酸脱氧木酮糖合成酶 ( DXS)是该代
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2010年第 10期 武斌等:代谢工程在微生物法产辅酶 Q10中的应用
谢途径上的限速酶。通过在 E. coli中过量表达来自
P seudomonas aerug inosa, Bacillus subtilis或 Synecho
cy stissp. 6803的 DXS基因, 可以使得大肠杆菌的
CoQ合成量得到提高 [ 19 ]。Lee等 [ 20 ]将来自 A. tume
faciens KCCM10413的 DXS11基因克隆并转化到 A.
tum efaciens KCCM 10413中, 得到的重组 A. tumefa
ciens pGX11较 A. tumefaciens KCCM 1041的产量和
含量分别提高了 21. 9%和 23. 9%。Harker[ 21]将来
自 B. subtilis和 Synechocy stis sp. 6803的 DXS基因转
化到 E. coli中构建基因工程菌,结果发现重组大肠
杆菌 CoQ8的含量较非重组子有较大的提高。
1. 2 阻断有害的或无关的竞争代谢途径
一些物质 (包括芳香族氨基酸、叶酸、细菌萜醇
等 )与 CoQ的生物合成途径有部分重叠,它们之间
需要一些共同的代谢前体。例如, 芳香族氨基酸和
CoQ的合成都需要 4羟基苯甲酸为其提供苯环骨
架,即 4羟基苯甲酸是 CoQ合成和芳香族氨基酸合
成的共同前体。人为地在培养基上添加 4羟基甲
酸也可以提高产量, 但是对于大规模发酵来讲这种
方法就显得不经济。如果能够通过代谢工程的手
段,一方面增强分支酸途径中关键酶的活性从而增
加 4羟基甲酸合成量, 另一方面减弱芳香族氨基酸
合成途径的代谢流量, 使得更多 4羟基甲酸流向
CoQ合成。这样就可能突破因代谢前体不足导致
CoQ含量较低的瓶颈, 使得重组大肠杆菌大量积累
CoQ。在 CoQ合成过程中, IPP(异戊烯基焦磷酸 )和
DMAPP(二甲基烯丙焦磷酸 )是聚异戊烯侧链的合
成所需的两种前体, 但是很多细菌萜醇、叶酸、胡罗
卜素等物质同样需要 IPP和 DMAPP作为其前体物
质。如果能够通过代谢工程的手段, 切断或者是减
弱这些物质的合成途径, 使得更多的代谢前体物流
向 CoQ的合成, 同样也可以提高 CoQ的产量。Yo
sh ida等 [ 22]发现,能够在琼脂平板上形成绿色菌落的
突变株其 CoQ 10的含量较野生型菌株提高了 10% -
20%,进一步分析发现这些突变株的胡罗卜素含量均
有下降。有文献报道 [ 23, 24] P seudomonas ex torquens和
Rhodobacter sphaeroid es KY8598的突变株中 CoQ含
量的增加均与胡罗卜素含量下降有关联。
1. 3 强化整个代谢途径的代谢流量
在 E. coli中,除了 DPS、DXS和 U biA外, ub iC,
ub iB, ub iG和 ubHi 基因编码的酶也参与 CoQ的合
成, 如果这些酶基因能够过量表达, 也有可能提高
CoQ的产量。 Zhu等 [ 25]通过遗传工程的手段将参
与 CoQ生物合成的各种酶基因 ( ubiAC, ubiB, ub iG,
ubHi 和 ispB)引入大肠杆菌, 使得重组大肠杆菌中
CoQ的产量是野生型细胞的 3倍,同时还发现 ubiA
和 ispB两个基因在 CoQ的生物合成中起着十分重
要的作用。 Zhang等 [ 26] 让来自 A. tumefaciens编码
DPS的酶基因和来自大肠杆菌中编码 Ub iC、U biA
和 Ub iG的基因在大肠杆菌中共表达, 结果发现当
dp s和 ubiCA共表达时 CoQ10的含量较只表达 dp s时
提高了 5倍,推测 CoQ10含量的增加可能与强化了整
个 CoQ合成途径的代谢通量有关。
2 构建新的代谢途径
构建新的代谢途径一般是指引入外源基因来改
造和修饰代谢网络,使细胞从不能合成某种代谢产
物转变为能够合成此代谢产物。常用的手段有转移
代谢途径,即将多个特定代谢途径中的相关基因转
移到无这些基因的菌株中, 从而达到使其能合成新
的目标产物的目的;在宿主菌中克隆、表达特定外源
基因构建新的代谢途径,增加前体物的合成量,提高
产率。
2. 1 外源的 DPS基因在 E. coli中的高表达
在 CoQ的生物合成途径中,聚戊二烯焦磷酸合
成酶负责催化 FPP与若干 IPP缩合成一定链长的
PPP,是 CoQ合成过程中的关键酶之一,这种酶具有
种属特异性,不同的生物体具有不同的聚戊二烯焦
磷酸合成酶, 从而合成不同种类的 CoQ。大肠杆菌
中负责聚类异戊二烯侧链合成的酶为聚八异戊二烯
焦磷酸合成酶, 因此 E. coli合成的辅酶 Q主要为
CoQ 8,而一些好氧型的杆菌如 G luconobacter oxydans、
A. tumefaciens等则主要是合成侧链更长的 CoQ 10。
如果将其他微生物来源的编码聚十异戊二烯焦磷酸
合成酶 ( DPS)基因克隆到 E. coli中可以构建产
CoQ10的重组大肠杆菌。Lee等 [ 3]将从 A. tumefaciens
中新分离到的 DPS基因克隆到大肠杆菌中,发现含
有 DPS基因的 E. coli除了产 CoQ8外, 还产生了
CoQ10。当 DPS基因发生突变后重组 E. coli丧失了
合成 CoQ 10的能力。T akahashi等 [ 27]将来自 Paracoc
cus den itrif icans的聚十戊二烯焦磷酸合成酶基因克
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生物技术通报 B iotechnology  Bulletin 2010年第 10期
隆到 E. coli中,重组 E coli不仅能够合成 CoQ10,而
且 CoQ 10的合成水平大于 CoQ 8。然而聚十戊二烯焦
磷酸合成酶的来源不同, 其酶活和产物的专一性有
较大的差别。 Zahir i等 [ 28] 分别将来自 Rhodobacter
sphaeroides和 A. tum efaciens的 DPS基因 ( rsdds和 at
dds)克隆到 E. co li中,结果发现, R sdds虽然酶活较
A tdds低, 但产物专一性更强。所以在构建代谢工
程菌时应该考虑选择专一性较强的 DPS基因, 这
样不仅可以提高 CoQ10的产量而且能够减少其他
种类CoQ的合成, 从而可以降低 CoQ10的下游提取
成本。
2. 2 构建外源的 MVA途径
在大肠杆菌中, IPP和 DMAPP主要是通过 MEP
途径合成, 而在真核微生物中主要是通过 MVA途
径合成。有文献报道,在大肠杆菌中经 MEP途径合
成的 IPP含量不足限制以 IPP为前体的物质的合
成。如果通过代谢工程的手段在大肠杆菌中引入
MVA途径从而增加 IPP等前体物的供给量, 则可以
提高 CoQ10的含量,这可以通过将 MVA途径中的各
种酶基因克隆至大肠杆菌中来实现。Zah iri等 [ 29]将
A. tum efaciens的 ddsA基因引入 E. co li中,得到的重
组 E. coli在初始 pH为 7. 0的 2YTG培养基上培养,
CoQ 10的产量可以达到 470 g /gDCW。在此基础上
再通过将外源的 MVA途径引入大肠杆菌中使得
CoQ 10的产量进一步提高到 ( 1706 ∀ 86) g /gDCW。
3 结论与展望
微生物法生产 CoQ10有着诸多优点, 比如经济、
不受原料的限制、易大规模生产、分离纯化、产品活
性好, 但是由于受菌种、发酵工艺以及下游提取的工
艺的限制使得微生物法生产得到的 CoQ 10的产量不
高,目前还无法满足工业化生产的要求。传统提高
CoQ 10产量的方法主要集中在通过诱变手段选育一
些产量提高的正突变株,但这种方法缺乏定向性,需
要设计合适的筛子以提高筛选效率, 而且由于微生
物体内的遗传物质发生了改变使得突变株的生长往
往受到影响。与诱变不同的是,代谢工程可以对特
定的生化途径进行定向的遗传修饰。通过对 E. coli
进行代谢工程的改造获得了能够合成 CoQ 10的 E.
coli代谢工程菌, 这在一定程度上为实现代谢工程
菌的 CoQ 10工业化生产提供了可能性 [ 30] , 但目前所
构建的产 CoQ 10的 E. coli工程菌产量还远远不能满
足工业化生产的要求。另外,在构建工程菌中,还许
多问题有待于解决, 比如重组大肠杆菌中 CoQ 10的
产量不是只受代谢流量的严格限制, 还是有其他目
前还没有发现的生理因素限制了 CoQ 10的产量, 这
就需要对 CoQ 10生物合成的代谢调控机制和代谢瓶
颈做全面系统的研究。
参 考 文 献
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