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代謝フラックス分析法を用いた大腸菌W3110BLのグリセロールからのL-メチオニン産生に及ぼす溶存酸素の影響
Effect of dissolved oxygen on L-methionine production from glycerol by Escherichia coli W3110BL using metabolic flux analysis method.
PMID: 32052230 DOI: 10.1007/s10295-020-02264-w.
抄録
L-メチオニンはヒトの必須アミノ酸であり、重要なアミノ酸やタンパク質の合成に重要な役割を果たしている。本研究では、L-メチオニンを組換え大腸菌W3110BLでバッチ発酵させた場合の代謝フラックスを、溶存酸素条件下での細胞内フラックス分布を推定するフラックスバランス解析法を用いて解析した。その結果、30%溶存酸素濃度では、他の溶存酸素濃度よりも高い4.8mmol/(g cell-h)のL-メチオニン生成フラックス（グリセロール取り込みフラックス100mmol/(g cell-h)に基づく）が得られることがわかった。L-メチオニン合成のための炭素フラックスは、主にホスホエノールピルビン酸からオキサロ酢酸への経路[15.6mmol/(g cell-h)]から得られたが、TCAサイクルからは得られなかった。したがって、ホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼの酵素活性を高めることにより、ホスホエノールピルビン酸からオキサロ酢酸への流れを増加させることは、L-メチオニンの産生を促進する可能性がある。また、ペントースリン酸経路は、アミノ酸合成に大量の還元力NADPHを供給することができ、溶存酸素濃度を変化させるとそのフラックスは41mmol/(g cell-h)から51mmol/(g cell-h)に増加し、L-メチオニンの生産とバイオマス合成に必要なNADPHの要求を満たすことができる可能性がある。したがって、以下のような改変は、鍵となる経路の改善とNAD(P)/NAD(P)H代謝の改善に基づくものである。
L-Methionine is an essential amino acid in humans, which plays an important role in the synthesis of some important amino acids and proteins. In this work, metabolic flux of batch fermentation of L-methionine with recombinant Escherichia coli W3110BL was analyzed using the flux balance analysis method, which estimated the intracellular flux distributions under different dissolved oxygen conditions. The results revealed the producing L-methionine flux of 4.8 mmol/(g cell·h) [based on the glycerol uptake flux of 100 mmol/(g cell·h)] was obtained at 30% dissolved oxygen level which was higher than that of other dissolved oxygen levels. The carbon fluxes for synthesizing L-methionine were mainly obtained from the pathway of phosphoenolpyruvate to oxaloacetic acid [15.6 mmol/(g cell·h)] but not from the TCA cycle. Hence, increasing the flow from phosphoenolpyruvate to oxaloacetic acid by enhancing the enzyme activity of phosphoenolpyruvate carboxylase might be conducive to the production of L-methionine. Additionally, pentose phosphate pathway could provide a large amount of reducing power NADPH for the synthesis of amino acids and the flux could increase from 41 mmol/(g cell·h) to 51 mmol/(g cell·h) when changing the dissolved oxygen levels, thus meeting the requirement of NADPH for L-methionine production and biomass synthesis. Therefore, the following modification of the strains should based on the improvement of the key pathway and the NAD(P)/NAD(P)H metabolism.