用计算模型预测基因敲除靶标 加快基因改造工程细菌增产 推进可持续航空燃料的生物生产

研究人员对恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）进行改造，使其利用植物原料中的碳来优化异戊二烯醇的生产。用计算模型预测需要进行基因编辑的靶点，加快了基因工程的速度和效率。异戊二烯醇可用于生产航空燃料。

　　

由可再生碳源制成的可持续航空燃料可以减少二氧化碳排放，并有助于减缓气候变化。异戊二烯醇是一种化学物质，可用于生产一种名为1,4-二甲基环辛烷(DMCO)的喷气生物燃料混合物。研究人员已经尝试在几种微生物宿主中产生了异戊二烯醇——如果异戊二烯醇可以在微生物中利用植物碳源实现量产，用于制造可持续航空燃料，将有望成为可持续发展的绿色能源。恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida )KT2440 具有多功能的转化特征和高效的遗传工具、但它需要经过基因工程改造才能成为可用的选择。

在这项研究中，因为并不知道哪些基因和代谢途径与生产异戊二烯醇有关，科学家们使用先进的计算模型来预测应该对哪些基因进行编辑，并根据计算模型的推测结果来改造和优化恶臭杆菌的代谢途径，以最大限度地提高异戊二醇的产量。这种方法使研究人员能够选择和优先考虑基因编辑目标，从而测试较少数量的工程菌株。途径优化使得产物提高10倍，研究人员构建出最高产量为3.5克异戊二烯醇/每升培养物的工程菌株。不过作者表示仍然需要进一步提高异戊二醇产量，朝着可持续的喷气燃料生物生产过程迈出的重要一步。

实验主要步骤

• 使用基因组规模代谢模型（GSMM）预测生产异戊二烯醇需要敲除的基因靶标；基于模型预测，构建了多个单基因和多基因敲除的恶臭假单胞菌突变株，通过实验验证了模型预测的基因敲除对异戊二烯醇产量的影响。通过不同的质粒表达系统和诱导策略优化异戊二烯醇的生物合成途径，通过共表达磷酸酶和其他关键酶，进一步提高了异戊二烯醇的产量。使用靶向蛋白质组学分析来优化途径配置。

• 在生物反应器中进行补料分批培养，以进一步提高异戊二烯醇的产量，评估了使用高粱水解产物作为碳源生产异戊二烯醇的潜力。

结论

• 通过GSMM引导的基因敲除和合理的途径优化，恶臭假单胞菌中异戊二烯醇的最高滴度达到1.1 g/L，通过补料分批培养进一步提高至3.5 g/L。研究证明了使用可再生碳源生产可持续航空燃料前体的可行性，并为未来的工业应用提供了基础。