利用系统代谢工程构建 L-高丝氨酸高产菌株

L-高丝氨酸又称2-氨基-4羟基丁酸，属于天冬氨酸家族，L-高丝氨酸虽然不是合成蛋白质的氨基酸，但却具有丰富的生物活性，L-高丝氨酸是合成L-苏氨酸、L-蛋氨酸、L-异亮氨酸的前体，同时L-高丝氨酸在医药、农业、食品、化工等领域都具有十分重要的应用价值。

近年来，随着L-高丝氨酸市场需求的不断增加以及代谢工程和合成生物学的快速发展，开发适合于大规模工业生产的L-高丝氨酸微生物细胞工厂吸引了越来越多研究者的关注。目前，微生物发酵生产L-高丝氨酸的研究方向主要集中在大肠杆菌（Escherichia coli）和谷氨酸棒状杆菌（Corynebacterium glutamicum）。由于遗传背景清晰，E.coli合成L-高丝氨酸的相关研究较为详细。

近日，江南大学饶志明课题组在高效合成L-高丝氨酸方面取得重要进展。相关研究成果发表在Metabolic Engineering杂志上：Development of a nonauxotrophic L-homoserine hyperproducer inEscherichia coliby systems metabolic engineering。

研究概述

正常情况下大肠杆菌中，葡萄糖经过糖酵解后以乙酰辅酶A的形式进入柠檬酸循环后转化为草酰乙酸参与到高丝氨酸的合成中。首先在天冬氨酸转氨酶（aspC）作用下转化为天冬氨酸。天冬氨酸在天冬氨酸激酶(由thrA、metL、lysC编码)、天冬氨酸半醛脱氢酶(由asd编码)、高丝氨酸合成酶(由thrA、metL编码)作用下催化为L-高丝氨酸。

L-高丝氨酸在大肠杆菌中的生物合成途径及菌株构建策略

本研究利用系统代谢工程策略将野生型大肠杆菌改造为非营养缺陷型和无质粒的L-高丝氨酸高产菌株。首先，通过调控L-高丝氨酸降解途径并增强合成流量构建了产L-高丝氨酸的初始菌株。然后，基于基因组对L-高丝氨酸生物合成代谢通量进行了优化调整，涉及与前体供应相关的基因ppc、aspC和aspA、L-高丝氨酸合成途径的基因thrAfbr和异源基因lysCfbrcgl，并通过修饰转运系统促进L-高丝氨酸外排。最后，针对氧化还原辅因子对L-高丝氨酸合成的重要性，提出一种辅因子协同利用的策略，通过促进NADPH再生，以及引入异源的利用NADH的脱氢酶来协调菌体内的氧化还原辅因子水平，从而进一步提高了L-高丝氨酸的生产。最终构建的工程菌株为非营养缺陷型，且发酵过程中无需添加抗生素、无需诱导，其在5L分批补料发酵中可以生产85.29g/L L-高丝氨酸，是无质粒且非营养缺陷型菌株报道的最高生产水平。