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异丁醇是一种高品质的汽油替代燃料，与传统的乙醇燃料相比有很大优势：其能量密度高，接近于汽油；亲水性低，能与汽油高比例混合；可以使用现有石油管道进行运输等。另外，异丁醇还是一种重要的大宗化工产品，主要用于生产润滑油添加剂、表面涂料、粘合剂等复合溶剂、邻苯二甲酸酯类增塑剂等，每年全球市场需求有50万吨左右。
近几年来，美国杜邦公司、Gevo公司、UCLA的James Liao教授等对异丁醇的生物制造进行了深入的研究。通过利用支链氨基酸的生物合成途径和Ehrlich途径，在大肠杆菌等模式生物中创建了异丁醇的生物合成途径。然而以前的工作都是使用诱导型启动子，导致生产菌株不稳定；另外，由于异丁醇合成途径需要使用NADPH作为还原力，而细胞在糖酵解过程中产生的还原力是NADH形式，这就存在还原力的供给类型与需求类型之间的不平衡问题，从而影响了异丁醇的最终产率。
中国科学院天津工业生物技术研究所张学礼研究员课题组在构建大肠杆菌细胞工厂生产异丁醇方面进行了深入的研究。基于组成型表达的人工调控元件，通过无痕基因表达调控技术，对异丁醇合成途径进行了精确调控，构建出组成型稳定生产异丁醇的工程菌。在此基础上，使用人工调控元件对转氢酶基因pntAB和NAD激酶基因yfjB的表达进行组合调控，实现NADH到NADPH的高效转化。厌氧条件下，异丁醇产量提高了80%，产率提高了39%，达到0.92 mol/mol，接近理论最大值。好氧条件下，异丁醇产量提高了28%，产率提高了22%；发酵24小时可以生产10.8 g/l异丁醇，产率为0.62 mol/mol。本研究表明转氢酶和NAD激酶在提高NADPH供给方面存在协同效应。这种提高NADPH供给的策略对于需要NADPH为辅因子的产品合成具有重要的参考价值和指导意义。相关研究已经在线发表在Metabolic Engineering杂志上。
天津工生所的博士研究生石爱琴为论文的第一作者。