萜类化合物是最大的天然产物家族，因其在制药、香料和生物燃料等行业的多样化应用而受到广泛关注。然而，利用工程细胞工厂有效合成萜类化合物一直受到异戊二烯焦磷酸盐(IPP)供应有限的阻碍，而异戊二烯焦磷酸盐是萜类化合物生产的关键组成部分。现在，中国江南大学陈健领导的研究小组取得了一项可能彻底改变萜类化合物生物生产的发现。
在《工程》杂志上发表的研究文章中，陈和他的团队提出了一种解决IPP供应不足挑战的新方法。通过研究枯草芽孢杆菌(B.subtilis)的代谢通量分布，研究人员发现中央代谢和IPP生产之间的不平衡是主要瓶颈。为了克服这一障碍，他们设计了一种策略，使用基因编码的双输入多输出(TIMO)电路来重塑IPP代谢。
TIMO回路对丙酮酸和丙二酰辅酶A做出反应，经过精心设计，可以微调IPP合成的代谢通量。这种重塑方法导致IPP池显着增加，比原始水平高出四倍。为了验证其技术的有效性，研究人员应用TIMO电路来提高三种有价值的萜类化合物的产量：甲基萘醌7(MK-7)、番茄红素和β-胡萝卜素。
结果令人震惊。MK-7(一种用于预防骨质疏松症、动脉钙化和帕金森病的萜类化合物)的效价在50L生物反应器中达到了前所未有的1549.6mg/L。这一成就代表了迄今为止报道的MK-7的最高滴度。此外，番茄红素产量增加了9倍，β-胡萝卜素产量增加了0.9倍。
“这项研究突破为萜类化合物的高效生物生产开辟了新的可能性，”《工程》杂志编辑赵莎莎说。“TIMO遗传回路辅助IPP代谢重塑框架为微调复杂的代谢途径提供了强大的工具。它有潜力彻底改变各种有价值化学品的生产。”
这项研究的成功不仅证明了TIMO电路在萜类化合物生产方面的潜力，而且凸显了它们的多功能性和鲁棒性。研究人员认为，这种调节系统可以应用于其他底盘细胞，为重塑IPP代谢提供另一种策略。
这项研究的意义不仅仅局限于萜类化合物的生产。本研究采用的多信号、协调、级联动态调节策略为复杂代谢途径的合理和全局微调奠定了基础。这一突破可能为各种其他化学品的生产铺平道路，推动多个行业的进步。
随着世界不断寻求传统化学合成的可持续和生态友好的替代品，这项研究为开发经济可行且环境友好的生物生产工艺提供了一条有前途的途径。
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