1,3-丙二醇（1,3-PDO）是一种重要的二元醇，广泛应用于纺织品、树脂和制药等领域，还可以用作合成新型纤维聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）的单体。许多微生物可以利用甘油作为底物自然合成1,3-丙二醇，如肺炎克雷伯氏菌、丁酸梭菌等。

 

目前，杜邦通过基因工程改造大肠杆菌从葡萄糖中获得了1,3-丙二醇的最高产量（135 g/L），但需要修饰大量基因，且需要添加昂贵的维生素B12。为了实现底成本高产出1,3-丙二醇，其生物合成途径仍有待进一步优化。

 

 

2023年6月14日，北京化工大学谭天伟院士团队在《ACS Synthetic Biology》杂志发表了题为“Biosynthesis of 1,3-Propanediol via a New Pathway from Glucose in Escherichia coli ”的研究论文，提出了一条新的生物合成途径，利用葡萄糖作为底物，l-天冬氨酸作为前体，无需添加昂贵的维生素B12即可产生1,3-丙二醇。

 

经过分步优化，在摇瓶中经过工程改造的大肠杆菌生产了6.41 g/L的1,3-丙二醇，葡萄糖产率为0.51 mol/mol，在批量发酵中达到11.21 g/L，该研究为1,3-丙二醇的生产提供了一条新的途径。

 

图1. 以葡萄糖为原料从头生产1,3-丙二醇的生物合成路线

 

研究团队采用模块化策略，将源自l-天冬氨酸的3-HP生产途径（模块一）与从3-HP合成1,3-丙二醇的生产途径（模块二）结合起来，实现了利用葡萄糖作为底物的1,3-PDO的全新合成（图1）。

 

该策略的理论产率与杜邦相同，但无需额外添加维生素B12。

 

其中，模块一通过引入来自谷氨酸棒状杆菌的天冬氨酸脱羧酶（CpanD）、蜡样芽孢杆菌的β-丙氨酸丙酮酸转氨酶（BAPAT）和大肠杆菌的3-羟基酸脱氢酶（ydfG），将葡萄糖转化为3-羟基丙酸（3-HP）。

 

模块二则采用基于3-羟基丙酰辅酶A的途径，将3-HP进一步转化为1,3-丙二醇（图2）。通过优化转录和翻译过程，包括引入cmyC标签和选择合适的核糖体结合位点（RBS），成功提高了酶的表达水平和翻译效率。

 

最终，在最优条件下，成功获得了599.82 mg/L1,3-丙二醇。

 

图2. 模块一和模块二的质粒构建模式图

 

增加前体供应是该研究的另一个关键策略。琥珀酸和草酰乙酸是l-天冬氨酸的两个重要前体，研究团队通过对比试验发现基于草酰乙酸的途径比基于琥珀酸的途径更适合l-天冬氨酸的生产，通过不同策略增加了前体草酰乙酸的产量。

 

除此之外，研究团队还对三羧酸循环进行了削弱以阻断竞争反应，并进行了转录组学分析（图3）。在确定最优培养基后，通过组合优化和分批发酵，将1,3-丙二醇的产量提高至11.21 g/L，这项研究为全新合成1,3-丙二醇提供了重要的技术支持，有望在工业生产中发挥重要作用。

 

图3. 氨基酸代谢、糖酵解和戊糖磷酸途径的热图分析