谷棒作为全细胞生物催化剂利用反式肉桂酸合成肉桂醛

原标题：使用反式酸进行全细胞研究

食品与食品, 2022.02.01

通讯作者: Ki Jun Jeong，韩国科学技术院

文章背景

肉桂醛（CAD）在食品和医药领域有着广泛的应用。 CAD的传统生产方法是从植物中提取或通过有机化学合成。但植物提取率低，有机化学合成产生的副产物对环境造成污染。前作者利用代谢工程在大肠杆菌中将L-Phe转化为CAD。由于合成过程涉及多个基因，CAD收率仅为75mg/L，但L-Phe转化为反式肉桂酸（t-，t-CA）收率更高。本文利用谷氨酸棒杆菌作为全细胞生物催化剂，通过酶催化将t-CA一步转化为CAD。

研究内容

为了建立谷物棒中 CAD 的一步转化过程，羧酸还原酶 (CAR) 作为催化剂消耗 ATP 和 NADPH，将酸还原为相应的醛。据报道，源自 M. phlei 的羧酸还原酶 (MpCAR) 具有更高的酶活性。因此，作者将MpCAR导入米棒中，获得重组菌株MpV1。为了保证经济可行性，作者对产t-CA的大肠杆菌YHP05进行了分批发酵，得到了含有t-CA的发酵液。当摇瓶培养物MpV1达到稳定期时，将含有1.2g/Lt-CA的发酵液添加到摇瓶中。 45分钟时，MpV1可产生0.7g/LCAD，但随着时间的推移，CAD的产量逐渐增加。减小，CAL 逐渐增大。

由于其内源性还原酶和/或脱氢酶，细菌可以自发地将醛转化为醇。通过BLAST搜索和基因组序列分析，作者预测谷物棒中将CAD转化为CAL的基因是编码乙醇脱氢酶的adhC、编码2,5-二酮-D-葡萄糖酸还原酶的dkgA和短链脱氢酶。从MpV1中敲除这三个基因以获得MpV5-3。摇瓶发酵显示MpV5-3产生0.9g/LCAD，但t-CA没有消耗。

CAR将t-CA转化为CAD需要ATP和NADPH的参与。作者推测 MpV5-3 中 t-CA 消耗不完全是由于辅因子不足所致。为了增加MpV5-3的NADPH，将zwf的启动子替换为PH36以获得MpV7-3。 MpV7-3中的NADPH浓度是MpV5-3的1.5倍。当 MpV7-3 培养物在 2L 生物反应器中达到稳定期时，添加 1.2g/Lt-CA。 MpV7-3在20分钟内产生0.8g/LCAD，比MpV5-3快25分钟。然而，MpV7-3生物转化后20分钟，CAD迅速下降，t-CA显着增加。

香草醛脱氢酶（VDH）是一种利用香草醛（4-羟基-4-甲氧基苯甲醛）产生香草酸（4-羟基-3-甲氧基苯甲酸）的酶。据报道，谷物棒中的VDH对多种底物具有催化活性，作者推测VDH可以催化CAD逆向转化为t-CA。因此，在MpV7-3中删除vdh以获得MpV9-3。在2L生物反应器中，MpV9-3比MpV7-3具有更高的CAD生物转化效率。 MpV9-3在30分钟内完全消耗1.2g/Lt-CA，产生1.1g/LCAD，转化率100%。这是在谷物棒中合成 CAD 的第一份报告。