利用工程大肠杆菌从菊芋高效生产依克多因：开启非粮发酵高值化生产新篇

为解决依克多因（Ectoine）生产中底物转化效率低、成本高的问题，研究人员开展利用菊芋（Jerusalem artichoke，JA）通过模块化代谢工程构建重组大肠杆菌生产依克多因的研究。最终在 7.5L 发酵罐中获得 35.60g/L 依克多因，揭示了非粮发酵生产高值产品的潜在方法。

　　在生命科学和健康医学领域，依克多因（4^S-2 - 甲基 - 1,4,5,6 - 四氢 - 4 - 嘧啶羧酸）可是个 “宝藏分子”。它广泛存在于一些嗜盐细菌中，拥有出色的 “超能力”。一方面，它能像忠诚的卫士一样，稳定蛋白质、DNA 和细胞等生物化合物；另一方面，在医疗领域，它在治疗炎症、阿尔茨海默病、帕金森病等神经系统疾病方面展现出巨大潜力。同时，它还能让我们的皮肤水润、抗紫外线、延缓衰老，在食品工业中也能作为酶的保护剂，应用前景十分广阔。

然而，传统的依克多因生产方法却有些 “麻烦”。这种被称为 “细菌挤奶” 的发酵方式，需要在生产和提取过程中添加和去除大量的盐。这不仅对发酵设备的耐腐蚀性要求极高，而且整个生产过程相当复杂，成本居高不下。此外，虽然通过工程菌株能够显著提高依克多因的产量，但底物转化效率低的问题依旧突出，这成为依克多因商业化生产道路上的 “拦路虎”。

为了攻克这些难题，国内研究人员踏上了探索之旅。他们将目光投向了菊芋。菊芋是一种可再生的非粮作物，它有着诸多优点：富含大量的菊糖（inulin），生长速度快，产量高，适应能力也很强。而且，菊芋储存碳源的方式和其他作物不同，它的块茎中储存的是菊糖，而非淀粉。菊糖是一种多糖，由 β(2→1) 糖苷键连接的 D - 果糖和 α(2→1) 键连接在末端果糖上的 D - 葡萄糖组成。此前，菊糖已被用于生产多种微生物产品，可在依克多因生物合成方面的研究却寥寥无几。于是，研究人员决定利用菊芋，通过模块化代谢工程在大肠杆菌（E. coli）中开发一个高效的依克多因合成 “细胞工厂” ，相关研究成果发表在《Bioresource Technology》上。

在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是模块化代谢工程技术，通过对不同代谢模块的优化和整合，调控大肠杆菌的代谢途径，使其高效合成依克多因。其次是基因编辑技术，用于对大肠杆菌的染色体进行基因删除和插入操作，优化相关基因的表达。另外，还涉及发酵技术，通过优化发酵条件和底物，实现依克多因的大量生产 。

下面来看看具体的研究结果：

• 基于启动子工程的 ectABC 整合表达：研究人员选择底盘宿主 ET08-N 作为原始菌株，挑选了来自大肠杆菌的不同表达强度的组成型启动子（P_tpi>P_gapA>P_pgk>P_glk>P_pykA>P_rrnD） 、来自枯草芽孢杆菌的强组成型启动子 P₄₃以及诱导型启动子 P_araBAD和 P_trc，驱动依克多因合成基因簇 ectABC 表达，以此比较不同启动子对其表达的影响。
• 优化 inulin 水解模块：由于大肠杆菌无法直接利用菊糖，研究人员引入并优化了 inulin 水解模块，探索了利用菊糖进行依克多因生物合成的可行性。
• 增强多个代谢模块：分别并组合增强果糖转运和磷酸化、糖酵解以及草酰乙酸供应模块，以提高依克多因产量和底物利用率。最终获得了表现最佳的重组菌株 ETC16（共表达 gapA、ppc 和 fruK，ΔiclR），该菌株利用菊糖可产生 6.51g/L 的依克多因 。
• 优化底物：研究人员还对菊芋粗菊糖提取物和味精（MSG）残渣进行优化用于依克多因生产。在 7.5L 发酵罐中对菊芋块茎的粗菊糖提取物进行分批补料发酵，最终依克多因产量达到 35.60g/L 。

研究结论表明，通过启动子工程和多拷贝整合将依克多因合成模块引入大肠杆菌，再优化 inulin 水解模块，利用模块化代谢工程，菌株 ETC16 的依克多因产量显著提高。而且，使用 60g/L 粗菊糖提取物和 5g/L 味精残渣替代纯菊糖和 25% 酵母提取物，实现了更经济的生产。

这项研究意义重大。它首次证明了菊糖可作为生产依克多因的原料，为依克多因的生产开辟了新的底物来源，降低了生产成本。同时，揭示了非粮发酵生产高值产品的潜在方法，为生物制造领域提供了新的思路和方向，有望推动依克多因在医疗、护肤和食品等多个行业的广泛应用，具有广阔的应用前景和经济价值 。