氨基酸转运蛋白对谷氨酸棒杆菌合成丁二胺的影响分析文献综述

 2021-09-27 00:06:45

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11,4-丁二胺简介

多胺是一种在大多数活细胞中存在的物质。属于多胺的亚精胺或精胺可在不同物种例如细菌、真菌和动物中发现。1,4-丁二胺（或腐胺）是亚精胺或精胺代谢中的前体，可在革兰氏阴性菌或真菌中发现，它在不同物种中以很宽的浓度范围存在，表明其在代谢通路中具有很重要的作用。

1,4-丁二胺是多胺尼龙-4,6合成中的基本材料，通过1,4-丁二胺与脂肪酸的反应可生成多胺尼龙-4,6。1,4-丁二胺在加工塑料的生产中作为原料被使用，它通常通过包括丙烯转换为丙烯腈和琥珀腈的化学合成来生产得到。此化学合成由三步工艺组成，包括消耗大量能量的催化氧化反应、使用有毒化学品例如氰化物的反应以及使用高压氢气的加氢反应。通过化学合成生产1,4-丁二胺是不环保的，并且还会消耗大量能量导致石油资源枯竭。因此，需要开发涉及生物量利用的更为环保和高能效的方法来进行1,4-丁二胺生产。

在微生物中，1,4-丁二胺的生物合成途径与L-精氨酸生物合成途径中自谷氨酸至鸟氨酸的合成步骤相同。1,4-丁二胺可通过两条途径例如鸟氨酸脱羧或精氨酸脱羧进行合成。这两条途径生成了代谢所需的能量或使细胞获得了对氧化刺激的抗性。现已报道了一种通过转化大肠杆菌和棒杆菌以高浓度生产1,4-丁二胺的方法。大肠杆菌中1,4-丁二胺的生产可通过增加鸟氨酸脱羧酶和谷氨酸乙酰转移酶的表达水平来实现。此外，1,4-丁二胺可通过去除降解或使用1,4-丁二胺的亚精胺和乙酰腐胺合成途径以高浓度生产。同时，在缺乏1,4-丁二胺合成途径的棒状杆菌菌株中，1,4-丁二胺可通过插入来源于大肠杆菌的鸟氨酸脱羧酶基因自鸟氨酸生成，或是1,4-丁二胺可通过插入来源于大肠杆菌的L-精氨酸脱羧酶和凝集酶基因自L-精氨酸生成。鸟氨酸途径基本上可生产比L-精氨酸途径高大约50倍量的腐胺。同时，发现大肠杆菌在44g/L1,4-丁二胺存在下可正常生长，而谷氨酸棒杆菌在66g/L1,4-丁二胺存在下可正常生长。因此，对于开发生产1,4-丁二胺的微生物来说，与大肠杆菌相比使用可在更高1,4-丁二胺浓度下生存的棒杆菌菌株似乎更为有效。

棒杆菌菌株是可商业购买的微生物，广泛使用于氨基酸、核酸、酶和抗生素类似物的生产。在棒杆菌菌株中，可通过argCJBDFRGH组成的精氨酸操纵子基因表达的酶由谷氨酸合成L-精氨酸。在L-精氨酸的生物合成中发挥最重要作用的精氨酸操纵子基因使用细胞内合成的L-谷氨酸作为精氨酸合成的底物。在精氨酸合成途径中，ArgJ将谷氨酸转换为N-乙酰谷氨酸、ArgB将N-乙酰谷氨酸转换为N-乙酰谷酰磷酸，ArgC将N-乙酰谷酰磷酸转换为N-乙酰谷氨酸半醛，ArgD将N-乙酰谷氨酸半醛转换为N-乙酰鸟氨酸，ArgJ将N-乙酰鸟氨酸转换为鸟氨酸，ArgF将鸟氨酸转换为L-瓜氨酸，ArgG将L-瓜氨酸转换为精氨酸代琥珀酸，而ArgH将精氨酸代琥珀酸转换为精氨酸。

此前已知通过诱导精氨酸操纵子的突变或诱导启动子的突变以增加精氨酸生物合成中所涉及的酶的表达水平而开发了精氨酸生产菌株。在精氨酸操纵子的基因中，调节并抑制精氨酸操纵子基因表达的argR和被精氨酸浓度抑制的argB已经成为了多项增加精氨酸生产水平的研究的靶点。

1,4-丁二胺的生物合成途径与精氨酸生物合成途径中自谷氨酸至鸟氨酸的合成步骤相同。然后通过鸟氨酸脱羧酶（ODC）由合成的鸟氨酸生产1,4-丁二胺。因此，为了制备能够生产大量1,4-丁二胺的菌株，必须先获得足量的鸟氨酸。当在野生型大肠杆菌W3110的argF-和argR-缺失菌株中加入谷氨酸时，鸟氨酸的生产水平提高了20%。此外，除了自谷氨酸至鸟氨酸的途经之外，当自谷氨酸至脯氨酸的合成途径由于敲除了编码第一步中涉及的γ-谷氨酰激酶的proB基因而受到阻断时，鸟氨酸的生产水平也会增加。这表明当谷氨酸的细胞内水平升高时，它对细胞中的鸟氨酸生产具有正向作用。在一项高产量生产鸟氨酸的前体即谷氨酸的研究中，已对谷氨酸棒杆菌进行了长期研究。在这方面，已报道了当细胞缺少生物素时或当使用青霉素G或脂肪酸酯表面活性剂处理细胞时，谷氨酸棒杆菌的谷氨酸运出活性得到了增强。此结果表明当细胞壁损伤时，谷氨酸可更好地穿过细胞质运出。来源于谷氨酸棒杆菌野生型菌株（ATCC13032）的NCg11221蛋白已知可促进甜菜碱运出，并且与编码机械敏感通道蛋白质的yggB具有相似的氨基酸序列。

2氨基酸转运蛋白的研究进展

活细胞时刻与周围环境进行着物质和能量的交换，在交换过程中转运系统起着举足轻重的作用。细菌中的转运系统主要包括磷酸转移酶系统、结合蛋白依赖的ABC转运系统这两种原核生物特有的转运系统以及生物体中普遍存在的氨基酸转运系统等。在这些转运系统中，有关氨基酸转运系统的研究最早开始。在细菌中，氨基酸转运系统成分非常复杂，它由许多具有特定结构和功能的转运蛋白家族成员组成。细菌中氨基酸转运蛋白研究的比较多也比较深入的主要是大肠杆菌K12和谷氨酸棒杆菌ATCC13032这两种菌株。在大肠杆菌K12和谷氨酸棒杆菌ATCC13032氨基酸转运蛋白的研究进程中，对转运蛋白的蛋白结构和功能以及转运机制等基本特性作了大量的研究。

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