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如何使生物制造产业更加经济、高效,减少对粮食及其他生物质资源的使用,是生物制造面临的严峻问题。天然代谢机制较低的碳转化率限制了由底物转化成期望的生物产品过程的经济效益。在天然微生物的代谢系统中,葡萄糖通过糖酵解例如EMP途径、ED途径和这些途径的变体分解成丙酮酸,进而在氧化脱羧酶的作用下脱下一个碳原子变为只拥有两个碳原子的乙酰辅酶A(AcCoA)损失三分之一的碳原子,把以AcCoA为前体的产物的碳转化率的理论极限限制在66%。在微生物的其他很多代谢途径中,类似的碳损失的问题也普遍存在,例如戊糖磷酸途径。为了提高碳转化率,我们将大肠杆菌的EMP途径、PP途径和来自青春双歧杆菌的双歧途径结合在一起,设计构建了人工的EP-bifido途径,可以以葡萄糖为底物产生比来自内源糖酵解途径更多的AcCoA,以提高碳的转化率和减少二氧化碳的释放。该途径设计的关键在于引入了一种来自青春双歧杆菌(Bifidobacterium adolescentis)的双功能磷酸转酮酶(Fxpk),这种双功能的磷酸转酮酶Fxpk不仅仅可以催化6-磷酸果糖(F6P)转变为4-磷酸赤藓糖(E4P)和乙酰磷酸(AcP),同时还可以催化5-磷酸木酮糖(X5P)裂解为3-磷酸甘油醛(G3P)和AcP。生成的E4P和G3P可以经由一系列的碳原子重排完全转化为AcCoA而在此过程中没有碳损失。该途径的另一个关键在于对于二磷酸酶的运用,二磷酸酶提供了该途径的第二个不可逆的推动力。PP途径中的氧化部分,一分子葡萄糖进入细胞变成6-磷酸葡萄糖,经过一系列反应,形成5-磷酸核酮糖,这个过程中伴随着一分子CO2和两分子NADPH的产生。磷酸戊糖途径是一个高效的还原力生成途径,其生成还原力这一特点恰好可以弥补f/xpk反应还原力的短板,同时磷酸戊糖途径氧化环节产生的5-磷酸核酮糖恰好可以作为碳重排部分的中间体。我们首先对含有EP-bifido途径的工程菌的基本情况进行了检测,发现相比于对照菌,工程菌产生了更少的副产物。13C代谢流分析成功的证明了 EP-bifido途径在代谢途径通量与对照菌株的差别,验证了我们的猜想。相比于原始对照菌株,发酵过程中CO2的释放显著降低。DH5α(pCDF)的CO2生产速率在7h达到最大值21mL/h,而DH5α-EP(pFF)14h的CO2生产速率最大值仅为5.2mL/h。工程菌在CO2速率方面也比较低,具有较大的优势。然后我们分别以聚羟基丁酸酯(PHB)、甲羟戊酸(MVA)和脂肪酸的生产作为例子,证明了 EP-bifido途径的有效性。通过EP-bifido途径,PHB的碳转化率从26%提高到63.7%,脂肪酸从9.17%提高到14.36%,MVA提高到64.3%(达到最大理论转化率的96%)。该策略可以用于以AcCoA为前体的化合物的生物生产,也可能被利用到其他种类的微生物中。