異丁醇是一種高品質的汽油替代燃料，與傳統的乙醇燃料相比有很大優勢：其能量密度高，接近于汽油；親水性低，能與汽油高比例混合；可以使用現有石油管道進行運輸等。另外，異丁醇還是一種重要的大宗化工產品，主要用于生產潤滑油添加劑、表面涂料、粘合劑等復合溶劑、鄰苯二甲酸酯類增塑劑等，每年全球市場需求有50萬噸左右。
近幾年來，美國杜邦公司、Gevo公司、UCLA的James Liao教授等對異丁醇的生物制造進行了深入的研究。通過利用支鏈氨基酸的生物合成途徑和Ehrlich途徑，在大腸桿菌等模式生物中創建了異丁醇的生物合成途徑。然而以前的工作都是使用誘導型啟動子，導致生產菌株不穩定；另外，由于異丁醇合成途徑需要使用NADPH作為還原力，而細胞在糖酵解過程中產生的還原力是NADH形式，這就存在還原力的供給類型與需求類型之間的不平衡問題，從而影響了異丁醇的最終產率。
中國科學院天津工業生物技術研究所張學禮研究員課題組在構建大腸桿菌細胞工廠生產異丁醇方面進行了深入的研究。基于組成型表達的人工調控元件，通過無痕基因表達調控技術，對異丁醇合成途徑進行了精確調控，構建出組成型穩定生產異丁醇的工程菌。在此基礎上，使用人工調控元件對轉氫酶基因pntAB和NAD激酶基因yfjB的表達進行組合調控，實現NADH到NADPH的高效轉化。厭氧條件下，異丁醇產量提高了80%，產率提高了39%，達到0.92 mol/mol，接近理論最大值。好氧條件下，異丁醇產量提高了28%，產率提高了22%；發酵24小時可以生產10.8 g/l異丁醇，產率為0.62 mol/mol。本研究表明轉氫酶和NAD激酶在提高NADPH供給方面存在協同效應。這種提高NADPH供給的策略對于需要NADPH為輔因子的產品合成具有重要的參考價值和指導意義。相關研究已經在線發表在Metabolic Engineering雜志上。
天津工生所的博士研究生石愛琴為論文的第一作者。
