基于非营养缺陷型益生菌大肠杆菌Nissle 1917的分层修饰策略高效生物合成O-琥珀酰-L-高丝氨酸

为解决O-琥珀酰-L-高丝氨酸(OSH)生物合成效率低的问题，研究人员以益生菌大肠杆菌Nissle 1917(EcN)为底盘菌株，通过动态调控副产物合成、解除关键酶反馈抑制、强化前体供应及NADPH再生等分层修饰策略，最终在5-L生物反应器中实现80.79 g/L的OSH产量（生产率1.84 g/L/h），创当前最高纪录，为OSH工业化发酵奠定基础。

　　

在生物制造领域，O-琥珀酰-L-高丝氨酸(OSH)作为合成L-甲硫氨酸和γ-丁内酯等高值化学品的关键前体，其工业化生产长期面临产量低、菌株安全性差等瓶颈。传统方法依赖基因敲除导致营养缺陷型菌株，增加生产成本；而大肠杆菌W3110等工业菌株又存在生物安全性争议。如何构建兼具高效合成能力与益生特性的微生物细胞工厂，成为突破产业困局的核心挑战。

针对这一难题，中国的研究团队选择具有GRAS（公认安全）认证的益生菌大肠杆菌Nissle 1917(EcN)作为研究对象。这种菌株不仅具备优异的肠道定植能力和免疫调节功能，其快速生长特性更利于工业化放大。研究人员通过CRISPR-Cas9系统进行基因组编辑，采用启动子工程和起始密码子替换等动态调控技术，构建了无需外源氨基酸补给的"非营养缺陷型"工程菌。通过模块化改造策略：首先敲除metB和thrB基因阻断OSH降解途径；随后解除metA编码的高丝氨酸O-琥珀酰转移酶(HST)的L-甲硫氨酸反馈抑制；再强化zwf和maeB基因表达提升NADPH供应；最终通过强化aspA和lysC等基因增加L-天冬氨酸前体通量。

研究结果部分显示：在摇瓶实验中，改造后的OSHY33菌株OSH产量达13.44±0.77 g/L，较初始菌株提升7.3倍。5-L生物反应器补料分批发酵中，通过优化葡萄糖流加策略，44小时内获得80.79±2.10 g/L的OSH产量，体积生产率1.84 g/L/h，较文献报道的最高值提升48%。代谢流分析证实，强化戊糖磷酸途径使NADPH/NADH比值提高2.1倍，关键前体L-高丝氨酸胞内浓度增加3.8倍。

这项发表于《Biochemical Engineering Journal》的研究具有三重突破意义：首次将益生菌EcN改造为OSH高效合成底盘，其1.84 g/L/h的生产效率刷新行业纪录；创新的"动态调控+非营养缺陷型"策略避免了传统基因敲除的缺陷，为食品级微生物制造提供新范式；强化NADPH再生的多模块协同优化方法，为其他氨基酸衍生物的生物合成提供普适性方案。该成果不仅推动OSH工业化进程，更拓展了益生菌在高值化学品合成中的应用边界。