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3,4-二羟基丁酸(3,4-dihydroxybutyric acid,3,4-DHBA)是一种通用的手性C4平台化合物,它可以作为前体物质合成许多具有商业价值的重要化合物或是合成各种抗体、β-和α-氨基酸和多肽等。目前国内外关于该物质的研究非常少,其化学合成法主要来源于对其内酯物质3-羟基-γ-丁内酯(3-hydroxy-γ-butyrolactone,3HBL)的简单皂化,但3HBL的化学合成法存在着高成本、高危险性、低收率等无法解决的难点问题,因此生物合成法将成为未来3,4-DHBA合成的主要方法。本研究在生物合成丁三醇的基础之上,首次报道了利用代谢工程改造的大肠杆菌构建利用混合碳源木糖和葡萄糖来生物合成3,4-DHBA的通路,其中木糖主要用于目标产物的合成,葡萄糖用来为菌体细胞的生长提供能量。该通路主要包括四步反应,即来自新月柄杆菌(Caulobacter crescentus)的木糖脱氢酶(xdh)催化的木糖脱氢反应,大肠杆菌自身的木糖酸脱水酶(yjhG/yagF)催化的木糖酸脱水反应,来自恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)密码子优化后的2-酮酸脱羧酶(mdlC)催化的2-酮-3-脱氧戊酮糖酸脱羧反应和筛选的醛脱氢酶(Aldehyde dehydrogenase ALDH)催化的3,4-二羟基丁醛氧化生成最终的目标物质3,4-二羟基丁酸的反应。本研究通过筛选合适的醛脱氢酶完成通路构建后,为改善该通路进行了一系列优化,如利用来自新月柄杆菌的高活性木糖酸脱水酶XylD替换原通路中的酶,敲除2-酮酸还原酶YiaE以切断分支途径和通过醛脱氢酶的双基因共表达提高该酶活性;进而对其他影响3,4-DHBA通路的因素进行改善,包括通过敲除丙酮醛合酶编码基因mgsA提高木糖和葡萄糖的共利用,和通过外源表达乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)的NADH氧化酶NoxE来提高胞内NAD+水平以平衡重组菌合成通路中辅因子的产出与消耗情况;最后本研究通过对现有策略的整合构建了最高产菌株,通过重新配置重组菌内的代谢流使之由木糖更多的流向3,4-DHBA,有效改善了3,4-DHBA的产量,最高产量可达0.38g/L。本研究对3,4-DHBA合成通路的阐明与优化为后续研究工作奠定了基础。