代谢工程改造大肠杆菌BL21高效生产木糖醇的工艺优化与机制解析

针对化学法合成木糖醇存在的高能耗、高污染问题，研究人员通过代谢工程改造大肠杆菌BL21(DE3)，引入异源木糖还原酶基因xyrB、优化NADPH辅因子供应并敲除竞争途径基因xylA，最终使工程菌在优化发酵条件下木糖醇产量达13.8 g/L（转化率0.92 g/g木糖），为绿色生物制造提供了新策略。

　　

木糖醇作为一种甜度与蔗糖相当的五碳糖醇，凭借其低热量、抗龋齿等特性，在食品和医药领域应用广泛。然而传统化学合成法需要高温高压条件，不仅能耗高还会造成环境污染。相比之下，微生物发酵法具有反应条件温和、环境友好等优势，但天然产木糖醇的微生物产量普遍较低。为此，研究人员通过代谢工程技术对大肠杆菌进行系统改造，试图建立更高效的生物合成路线。

这项发表在《Biochemical Engineering Journal》的研究，通过三个关键策略改造大肠杆菌BL21(DE3)：首先引入源自黑曲霉的木糖还原酶基因xyrB，赋予菌株将木糖直接还原为木糖醇的能力；其次过表达内源zwf基因增强NADPH供应，为还原反应提供充足辅因子；最后利用CRISPR/Cas9技术敲除竞争途径基因xylA，阻断木糖进入磷酸戊糖途径。研究人员还优化了发酵条件，在含15 g/L木糖和10 g/L葡萄糖的M9Y培养基中，工程菌的木糖醇产量达到13.8 g/L，转化效率高达0.92 g/g木糖。

在研究方法上，团队采用分子克隆构建重组质粒pETDuet-1-xyrB-zwf，通过双酶切和PCR验证其正确性；利用CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除xylA基因；采用HPLC分析代谢产物；通过比色法测定关键酶活性和辅因子水平。

研究结果显示：
1）重组质粒验证：电泳显示重组质粒大小约7,793 bp，较原始载体明显增大，双酶切结果与预期相符。
2）菌株改造效果：ΔptsG突变解除碳代谢抑制，使菌株能同时利用葡萄糖和木糖；xylA敲除有效阻断竞争途径。
3）发酵优化：10 g/L葡萄糖和15 g/L木糖的配比最佳，既提供充足NADPH又保证木糖供应。

讨论部分指出，该研究的创新点在于：选用底物亲和力最高的黑曲霉xyrB基因；通过zwf过表达解决NADPH限制瓶颈；采用双基因敲除策略优化代谢流。相比前人研究，该工程菌的转化效率显著提升，为工业化生产奠定了基础。

这项工作不仅提供了一种高效、环保的木糖醇生物合成方案，也为其他高附加值糖醇的代谢工程改造提供了技术范式。研究获得国家自然科学基金和浙江省自然科学基金的资助，相关菌株构建和发酵工艺已具备工业化应用潜力。