基于一碳底物的合成生长制造技术

许多生物技术相关的生物体不能利用廉价且丰富的一碳原料(例如CO2、CO、甲醛、甲醇和甲烷)用于生长，而是优选复杂原料诸如糖。本文公开了使生物体能够经由甲酰基

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于一碳底物的合成生长
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请涉及2020年8月26日提交的美国临时专利申请第63/070,464号，要求其优先权，并且为了所有目的通过引用将其并入本文。
[0003]背景
[0004]一碳(C1)化合物对于化学工业代表了潜在的低成本且丰富的原料(D
ü
rre,P.&Eikmanns,BJ.Curr.Opin.Biotechnol.35:63
‑
72(2015))。由于这些原料的通常是稀的并且分散的特性，生物化学工艺有可能通过在当前化学技术受限的方面实现较低的资本支出(CapEx)和分布式制造而成为用于C1利用的有效技术(Clomburg,JM.,等人Science 355:aag0804(2017))。虽然C1分子可以被生物学有效地利用用于生长，但从C1底物有效地生物生产各种工业化学品仍然是开放的挑战。
[0005]包括天然途径(Bar
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Even,A.,等人J.Exp.Bot.63:2325
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42(2012)；Kalyuzhnaya,MG.,等人Metab.Eng.29:142
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152(2015))和合成途径(Bogorad,I.W.等人Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.111:15928
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33(2014)；Siegel,J.B.等人Proc.Natl.Acad.Sci.112:3704
‑
3709(2015)；Schwander,T.,等人Science 354:900
‑
904(2016)；Lu,X.等人Nat.Commun.10:1378(2019)；Kim,S.等人Nat.Chem.Biol.16:538
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545(2020))的、从C1底物向生物产物合成的方法倾向于共有共同的代谢架构(图1A)。处于不同还原水平的C1分子首先被同化，以产生C2中心代谢物和C3中心代谢物。这些C2/C3代谢物是用于产物合成途径的前体，或者通过中心代谢途径被进一步转化以产生所述前体。因此，碳同化、中心代谢和产物合成途径必须被同时工程化，以实现目标化学品的有效产生。然而，从概念上讲，这种架构应该不是用于从C1分子进行化学产生的必要条件。与具有保存碳
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碳键优势的多碳底物的利用不同，当从C1分子开始时，所有的碳
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碳键都必须从头产生。因此，原理上，应该有可能使用C1“构建模块(building blocks)”从C1分子构建不同的化学产物，而无需首先产生多碳单元的增加的复杂性。
[0006]虽然基于C1原料的燃料和化学品生产是有希望的，但重大挑战阻碍了用于C1生物转化的有效生物催化剂的实现。许多生物技术相关的生物体不能利用廉价且丰富的一碳原料(例如CO2、甲烷)用于生长，而是优选复杂原料诸如糖。
[0007]概述
[0008]如本文所公开的，甲酰基
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CoA可以在由2
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羟基酰基
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CoA裂合酶(HACL)或草酰基
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CoA脱羧酶(OXC)催化的反应中用作C1构建模块或延伸单元，允许生物体利用C1原料进行生长，并导致培养所述生物体的更具成本效益的方法。这些途径，在本文称为甲酰基
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CoA延伸(FORCE)途径，能够用于产生用于生物催化剂生长或维持的生长底物，并最终用于生化产物合成。在一些实施方案中，所公开的FORCE途径能够与多碳底物，诸如C2、C3、C4、C5、C6底物一起使用。例如，多碳共底物可以包括例如：糖(例如葡萄糖)、甘油、乙酸和脂肪酸。
[0009]因此，本文公开了不能天然利用C1底物进行生长但已被工程化成能够这样做的微生物(即异养生物)。对这些被称为甲基营养生物(methylotrophs)、甲酸营养生物(formatotrophs)或自养生物的生物体的工程化包括向细胞系统提供第一组代谢酶以将单
碳底物转化为甲酰基
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CoA和甲醛，第二组代谢酶以用甲酰基
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CoA分子延伸醛糖或醛，在合适的代谢酶产生多碳天然底物或代谢物的条件下向系统供给C1底物，并且任选地提供第三组代谢酶以将底物或代谢物转化为所需的多碳化学品。
[0010]本文公开了能够利用一碳(C1)底物进行生长和产物合成的非天然微生物系统。该非天然微生物系统可以包括编码将单碳底物转化为甲酰基
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CoA和甲醛的酶的第一组核酸，以及编码将甲酰基
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CoA和甲醛转化为能够生长的天然多碳底物或代谢物的酶的第二组核酸。
[0011]本文还公开了代谢工程化微生物。该代谢工程化微生物可以包含编码将单碳底物转化为甲酰基
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CoA的代谢酶的第一组核酸，以及编码经由使用甲酰基
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CoA作为延伸单元的甲酰基
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CoA延伸途径延长碳主链的代谢酶的第二组核酸。
[0012]本文还公开了基于单碳底物培养微生物的方法。该方法可以包括向微生物提供编码用于将单碳底物转化为甲酰基
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CoA的代谢酶的第一组核酸，以及编码用于经由使用甲酰基
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CoA作为延伸单元的甲酰基
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CoA延伸途径延长碳主链的代谢酶的第二组核酸。该方法还可以包括在包含单碳底物的生长培养基中培养微生物。甲酰基
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CoA延伸途径中的一种或更多种中间体可以用作微生物的生长底物或生长底物的前体。
[0013]本文还公开了从单碳底物合成化学产物的方法。该方法可以包括为微生物提供编码将单碳底物转化为甲酰基
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CoA的代谢酶的第一组核酸，以及编码经由使用甲酰基
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CoA作为延伸单元的甲酰基
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CoA延伸途径延长碳主链的代谢酶的第二组核酸。该方法还可以包括为微生物供给单碳底物。甲酰基
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CoA延伸途径中的一种或更多种中间体可以是化学产物或可以用作化学产物的前体。
[0014]本文还公开了无细胞系统，其包括将单碳底物转化为甲酰基
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CoA的第一组代谢酶，以及经由使用甲酰基
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CoA作为延伸单元的甲酰基
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CoA延伸途延长碳主链的第二组代谢酶。
[0015]本文还公开了双菌株微生物系统。该双菌株微生物系统可以包括第一微生物，该第一微生物包含编码一种或更多种将单碳底物转化为甲酰基
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CoA的第一代谢酶的核酸，以及编码一种或更多种从甲酰基
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CoA产生乙醇酸的第二代谢酶的核酸。第一微生物可以不能够消耗乙醇酸和基于乙醇酸生长。该双菌株微生物系统还可以包括缺乏编码第一和第二代谢酶的核酸的第二微生物。第二微生物能够消耗乙醇酸和基于乙醇酸生长。在包含单碳底物的培养基中共培养第一微生物和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种非天然微生物系统，其能够利用一碳(C1)底物用于生长和产物合成，所述非天然微生物系统包括：编码将所述单碳底物转化为甲酰基
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CoA和甲醛的酶的第一组核酸；以及编码将甲酰基
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CoA和甲醛转化为能够实现生长的天然多碳底物或代谢物的酶的第二组核酸。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统包括一碳底物，任选地，其中所述C1底物包括甲烷。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一组代谢酶包括能够将甲烷转化为甲醇的甲烷单加氧酶，能够将甲醇转化为甲醛的甲醇脱氢酶，以及能够将甲醛转化为甲酰基
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CoA的酰基
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CoA还原酶。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述C1底物包括二氧化碳。5.根据权利要求4所述的系统，其中所述第一组代谢酶包括能够将二氧化碳转化为甲酸的甲酸脱氢酶。6.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一组代谢酶还包括能够将甲酸转化为甲酰基
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CoA的酶。7.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一组代谢酶还包括能够将甲酸转化为甲醛的甲醛脱氢酶，以及能够将甲醛转化为甲酰基
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CoA的酰基
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CoA还原酶。8.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一组代谢酶还包括能够将甲酸转化为甲酰基
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磷酸的甲酸激酶，以及能够将甲酰基
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磷酸转化为甲酰基
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CoA的磷酸转酰基酶。9.根据权利要求1所述的系统，其中所述C1底物包括甲酸。10.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一组代谢酶包括能够将甲酸转化为甲酰基
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CoA的酶。11.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一组代谢酶包括能够将甲酸转化为甲醛的甲醛脱氢酶，以及能够将甲醛转化为甲酰基
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CoA的酰基
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CoA还原酶。12.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一组代谢酶包括能够将甲酸转化为甲酰基
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磷酸的甲酸激酶，以及能够将甲酰基
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磷酸转化为甲酰基
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CoA的磷酸转酰基酶。13.根据权利要求1所述的系统，其中所述C1底物包括一氧化碳。14.根据权利要求13所述的系统，其中所述第一组代谢酶包括能够将一氧化碳转化为二氧化碳的一氧化碳脱氢酶，以及能够将二氧化碳转化为甲酸的甲酸脱氢酶。15.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一组代谢酶还包括能够将甲酸转化为甲酰基
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CoA的酶。16.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一组代谢酶还包括能够将甲酸转化为甲醛的甲醛脱氢酶，以及能够将甲醛转化为甲酰基
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CoA的酰基
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CoA还原酶。17.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一组代谢酶还包括能够将甲酸转化为甲酰基
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磷酸的甲酸激酶，以及能够将甲酰基
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磷酸转化为甲酰基
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CoA的磷酸转酰基酶。18.根据权利要求1所述的系统，其中所述C1底物包括甲醇。19.根据权利要求18所述的系统，其中所述第一组代谢酶包括能够将甲醇转化为甲醛的甲醇脱氢酶，以及能够将甲醛转化为甲酰基
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CoA的酰基
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CoA还原酶。20.根据权利要求1所述的系统，其中所述C1底物包括甲醛。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述第一组代谢酶包括能够将甲醛转化为甲酰基
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CoA的酰基
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CoA还原酶。22.根据权利要求1至21中任一项所述的系统，其中所述第二组代谢酶包括2
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羟基酰基
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CoA裂合酶(HACL)。23.根据权利要求22所述的系统，其中所述第二组代谢酶还包括酰基
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CoA还原酶。24.根据权利要求23所述的系统，其中所述第二组代谢酶还包括1,2
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二醇氧化还原酶。25.根据权利要求24所述的系统，其中所述第二组代谢酶还包括二醇脱水酶。26.根据权利要求1至25中任一项所述的系统，还包括编码产生感兴趣的分子的酶的第三组核酸。27.根据权利要求1至26中任一项所述的系统，包括一种含有所有核酸的微生物宿主。28.根据权利要求1至27中任一项所述的系统，包括多于一种具有不同组核酸的微生物宿主菌株。29.一种培养根据权利要求1至28中任一项所述的微生物系统的方法，包括在合适的条件下用C1原料孵育所述微生物系统，其中所述C1原料被用于生长。30.根据权利要求29所述的方法，还包括从所述微生物培养系统中分离感兴趣的产物。31.一种代谢工程化微生物，包含：编码将单碳底物转化为甲酰基
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CoA的代谢酶的第一组核酸；以及编码经由甲酰基
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CoA延伸途径延长碳主链的代谢酶的第二组核酸，所述甲酰基
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CoA延伸途径使用所述甲酰基
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CoA作为延伸单元。32.根据权利要求31所述的代谢工程化微生物，其中所述甲酰基
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CoA延伸途径中的一种或更多种中间体用作用于所述微生物的生长的代谢物。33.根据权利要求31或32所述的代谢工程化微生物，其中所述甲酰基
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CoA延伸途径中的一种或更多种中间体用作一种或更多种化学产物的前体。34.根据权利要求31至33中任一项所述的代谢工程化微生物，其中由所述第一组核酸和所述第二组核酸编码的所述代谢酶在所述微生物中被重组表达或被过表达。35.根据权利要求31至34中任一项所述的代谢工程化微生物，其中一个或更多个编码参与与所述甲酰基
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CoA延伸途径竞争的代谢途径的代谢酶的基因在所述微生物中被敲除。36.根据权利要求31至35中任一项所述的代谢工程化微生物，还包含编码将所述甲酰基
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CoA延伸途径中的一种或更多种中间体转化为化学产物的代谢酶的第三组核酸。37.一种基于单碳底物培养微生物的方法，包括：为所述微生物提供编码用于将所述单碳底物转化为甲酰基
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CoA的代谢酶的第一组核酸，和编码用于经由使用甲酰基
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CoA作为延伸单元的甲酰基
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CoA延伸途径来延长碳主链的代谢酶的第二组核酸；以及在包含所述单碳底物的生长培养基中培养所述微生物，其中所述甲酰基
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CoA延伸途径中的一种或更多种中间体用作所述微生物的生长底物或生长底物的前体。38.根据权利要求37所述的方法，其中所述生长底物包括醛糖、二醇、2
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羟基酸、乙醇酸、甘油醛、乳酸和乙酰基
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CoA中的一种或更多种。39.一种从单碳底物进行化学产物合成的方法，包括：为微生物提供编码将所述单碳底物转化为甲酰基
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CoA的代谢酶的第一组核酸，和编码
经由使用甲酰基
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CoA作为延伸单元的甲酰基
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CoA延伸途径来延长碳主链的代谢酶的第二组核酸；以及为所述微生物供给所述单碳底物，其中所述甲酰基
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CoA延伸途径中的一种或更多种中间体用作化学产物的前体。40.根据权利要求39所述的方法，其中所述化学产物选自2
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羟基酸、醛糖、二醇、多元醇、羧酸化合物、乳酸和醇。41.根据权利要求39或40所述的方法，其中所述化学产物是多碳化学品。42.根据权利要求39至41中任一项所述的方法，还包括从所述微生物的发酵液中纯化化学产物。43.根据权利要求39至42中任一项所述的方法，还包括为所述微生物提供编用于将所述甲酰基
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CoA延伸途径中的中间体转化为所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉蒙，
申请(专利权)人：南佛罗里达大学，
类型：发明
国别省市：