谷氨酸棒杆菌三羧酸循环与糖酵解解偶联结合乙酸供给促进L-高丝氨酸的高效生物合成

为解决L-高丝氨酸生产中葡萄糖转化效率低的问题，研究人员通过代谢工程改造谷氨酸棒杆菌(C. glutamicum)，采用三羧酸循环(TCA)与糖酵解解偶联策略，结合乙酸供给优化乙酰-CoA代谢流。研究成功构建了高产菌株ACg23-6，在5-L生物反应器中实现70.54 g/L的L-高丝氨酸产量，葡萄糖转化率达0.58 g/g。该研究为L-天冬氨酸衍生物的微生物合成提供了创新策略。

　　

L-高丝氨酸作为重要的非蛋白质氨基酸，在食品、医药和化工领域具有广泛应用。当前工业生产主要依赖化学合成法，但存在D-型异构体污染和纯化成本高的问题。微生物合成虽被视为可持续替代方案，但面临葡萄糖转化效率低（0.38 g/g）和碳损失严重的挑战。究其原因，谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)中糖酵解产生的丙酮酸会分流至三羧酸循环(TCA cycle)，导致目标产物前体L-天冬氨酸供应不足，且伴随大量CO₂释放。

广西大学轻工与食品工程学院的研究团队在《Systematic and Applied Microbiology》发表研究，通过创新性解耦策略解决了这一难题。研究人员首先构建了基础生产菌株ACg1-1，通过删除下游代谢基因(thrB/metB等)和强化关键酶(如突变型pyc^P458S和hom^V59A)，实现了17.12 g/L的产量。随后采用三种关键技术：1) 稀有密码子替换弱化TCA循环关键基因(acn/odhA/sucCD)；2) 删除aceE基因完全解耦糖酵解与TCA循环；3) 引入外源aspB_Pa基因构建不依赖L-谷氨酸的转氨途径。通过优化乙酸间歇补料策略(5 g/L初始浓度，每6小时补加)，最终菌株ACg23-6在96小时内产量提升至70.54 g/L。

研究结果部分显示：

5.1. 基础菌株构建

通过多基因编辑(ΔmcbRΔmetD等)和过表达突变基因(thrA^S345F等)，使葡萄糖转化效率达0.38 g/g。

5.2. TCA循环弱化效应

采用稀有密码子替换acn^3-7和启动子突变odhA^M1V等策略，使产量提升14.4%至0.43 g/g。

5.3. 模块解耦创新

发现aceE基因删除比传统四基因敲除更有效，配合乙酸补充使菌体OD₆₀₀恢复至4.83。

5.5. 能量供应优化

比较AckA-Pta和Acs^L641P两条乙酰-CoA合成途径，证实前者更利于能量供应。

5.6. 代谢流重定向

过表达aspA_Ec和icl基因使L-天冬氨酸供应增加，产量提升至17.35 g/L(0.56 g/g)。

该研究创新性地提出"碳骨架-能量双系统"模型：葡萄糖专供碳骨架，乙酸通过TCA循环提供能量。这不仅解决了碳损失难题，还为C. glutamicum平台改造提供了普适性策略。值得注意的是，研究揭示乙酸浓度需精确控制(5 g/L最佳)，过高(>7 g/L)会抑制生长。通过整合电催化CO₂转化技术，该体系有望发展成"碳捕获-生物制造"的可持续生产模式。这些发现对L-甲硫氨酸、L-苏氨酸等衍生物的合成具有重要借鉴价值。