工程化Vibrio natriegens实现低生物量高产丙酮酸：揭示副产物parapyruvate的形成机制

《Microbial Cell Factories》：Low-biomass pyruvate production with engineered Vibrio natriegens is accompanied by parapyruvate formation

本期推荐：德国研究人员针对生物法丙酮酸生产过程中碳损失问题，通过代谢工程改造Vibrio natriegens△vnp12△aceE菌株，开发出低生物量（6.6 gCDW L-1）高生产率（4.1 gPyr L-1 h-1）的发酵工艺，首次发现微生物发酵中parapyruvate的化学-酶促双重形成机制，为优化工业级丙酮酸生产提供了新见解。

　　在追求绿色制造的今天，丙酮酸作为重要的平台化合物，其生物合成技术备受关注。然而传统微生物生产面临两大瓶颈：高生物量导致的碳源浪费，以及神秘的碳损失现象。德国慕尼黑工业大学Bastian Blombach团队在《Microbial Cell Factories》发表的研究，通过巧妙设计"代谢开关"，将海洋细菌Vibrio natriegens改造为高效的丙酮酸"细胞工厂"。

研究团队采用三步策略：首先删除丙酮酸脱氢酶复合体(PDHC)的aceE基因构建乙酰辅酶A营养缺陷型菌株；随后通过动态补料控制生物量在6.6 g_CDW L^-1；最后结合LC/Q-TOF-MS和细胞-free反应体系解析碳流向。关键技术包括：① 基因组编辑构建△vnp12△aceE双缺失株；② 恒速补料(0.24 g_Ac h^-1)维持代谢活性；③ 同位素示踪与碳平衡分析；④ 异源表达E. coli的katG基因增强氧化耐受。

研究结果揭示：

1. 低生物量高产工艺：删除PDHC后菌株需乙酸维持生长，在优化补料策略下实现41.0±1.8 g_Pyr L^-1产量，体积产率达4.1±0.2 g_Pyr L^-1 h^-1，较传统工艺提升3倍。
2. 神秘碳汇的破解：碳平衡出现30%缺口，鉴定出副产物parapyruvate（7 g/L），占碳损失的24%。
3. 双重复合形成机制：过表达ligK使parapyruvate增加3倍，但基因敲除不影响其生成；在C. glutamicum产丙酮酸体系及细胞-free实验中均检测到该副产物，证实化学缩合与酶促反应共同作用。
4. 工艺优化新发现：表达外源katG catalase使丙酮酸产量提升19%，暗示氧化应激影响生产稳定性。

这项研究不仅建立了V. natriegens低生物量发酵的新范式，更首次系统揭示了微生物丙酮酸生产中parapyruvate的形成规律。该发现对工业级生产具有双重意义：一方面提示需要控制反应体系pH避免化学副反应，另一方面为通过调控ligK表达优化碳流向提供了靶点。研究者特别指出，这一现象可能普遍存在于各类微生物丙酮酸生产体系中，未来需要开发针对性的代谢控制策略。