Ectoine (Ácido 1,4,5,6-tetrahidro-2-metil-4-pirimidinecarboxílico,CAS: 96702-03-3), una molécula protectora natural, exhibe un agua excepcional - capacidad de retención-80 veces mayor que la del glicerol. Equilibra efectivamente la presión osmótica a través de las membranas celulares, estabiliza las estructuras de proteínas y macromoléculas, y protege los sistemas biológicos en condiciones ambientales extremas. Debido a estas notables propiedades, la ectoina se ha aplicado ampliamente en industrias como los cosméticos y la agricultura.
En 2023, el tamaño del mercado global de la ectoina alcanzó los 70 millones, Anditis se esperaba que el crecimiento de la creación de crecimiento de la entrega (CAGR) (CAGR) de 5.4100 millones para 2032.
Recientemente, un equipo de investigación dirigido por el profesor Jiang Min de la Nanjing Tech University publicó un estudio en la prestigiosa revista ACS Synthetic Biology. El documento se titula "La alta producción de ectoina a partir de hidrolizado lignocelulósico por Escherichia coli a través de ingeniería metabólica y de fermentación".
Los investigadores construyeron un módulo de síntesis de ectoine enE. coliy alivió la velocidad - limitantes pasos, permitiendo la síntesis de 115.15 g/L ectoine usando glucosa en un biorreactor de 5 L. Cuando se usó hidrolizado de paja de trigo como fuente de carbono, el rendimiento de la ectoina alcanzó 134.08 g/L (con una productividad de 0.33 g/g). Esto representa el nivel más alto de síntesis de ectoina por microorganismos que utilizan biomasa de costo bajo - hasta la fecha, proporcionando soporte técnico para la producción industrial de ectoine. El candidato doctoral Feng Yifan es el primer autor del artículo, mientras que el profesor Xin Fengxue y el profesor asociado Jiang Wankui son los autores correspondientes.
Primero, los investigadores integraron electabcGrupo de genes derivado de la bacteria halófilaHalomonas VenustaEct en el genoma deE. coliMG1655, logrando la síntesis heteróloga de la ectoina enE. coli.
Figura|Ingeniería metabólica Construcción de la producción de ectoina enE. coli
Para abordar el problema de la desviación del flujo metabólico de fosfoenolpiruvato (PEP) en el huésped, los investigadores utilizaron la tecnología CRISPR - cas9 para eliminar el gen CRR - un gen clave en el sistema de fosfotransferasa (PTS). Esto redirigió el flujo metabólico hacia el oxaloacetato (OAA), aumentando el rendimiento de la ectoina de 0.56 g/L a 1.27 g/L.
A través de la tasa de análisis de enzimas limitantes de la tasa que combina experimentos de fermentación y sobreexpresión, se descubrió que la quinasa de aspartato LYSC era el cuello de botella metabólico. Por lo tanto, después de sobreexpresar su retroalimentación - Mutante resistente ECLYSC*, el rendimiento del matraz de batido de ectoine se incrementó a 2.51 g/L.
Figura|Eliminación de la tasa - limitando los pasos en la ruta de síntesis de ectoine
Optimización sistemática de componentes medios - incluyendo los tipos y concentraciones de fuentes de carbono y fuentes de nitrógeno, así como las concentraciones de cloruro de sodio y sulfato de magnesio - mejoraron significativamente la eficiencia de la síntesis. En un biorreactor de 5 L, los investigadores encontraron que el efecto inhibitorio de la glucosa en la síntesis de ectoina podría aliviarse adoptando una estrategia de alimentación controlada dinámicamente (manteniendo una concentración de glucosa residual de 1.0 g/L). Mientras tanto, después de optimizar el tiempo de adición del inductor para equilibrar el crecimiento celular y la síntesis de ectoina, el rendimiento de la ectoina alcanzó 115.15 g/L.
Figura|Optimización del proceso de fermentación
Para lograr una producción de costos bajo -, la glucosa se reemplazó con hidrolizado de paja de trigo. A través del control preciso de las estrategias de suplementación de la fuente de carbono y la regulación nutricional, el rendimiento final alcanzó 134.08 g/L (rendimiento de 0.33 g/g de azúcar, eficiencia de producción de 3.7 g/L/h), un aumento del 17% en comparación con el sistema de glucosa puro, y alcanzó el nivel más alto informado hasta ahora para la síntesis de ectoína con hidrolizado de lignocelosa.
Figura 1|Uso de hidrolizato lignocelulósico como fuente de carbono para la producción de ectoina
Esta investigación demuestra una estrategia en la que Escherichia coli, a través de modificaciones de ingeniería metabólica y de fermentación, utiliza eficientemente hidrolizato lignocelulósico para producir ectoína. Proporciona una nueva vía para el bajo costo - y la biomanufactura ecológica. Al emplear estrategias de ingeniería dimensional multi -, combina materias primas económicas con biosíntesis eficiente. Esto no solo avanza el potencial industrial de la producción de ectoine, sino que también ofrece una referencia para la biomanufactura de otro valor alto - - agregado.
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