L-高丝氨基酸是一种重要的非必需氨基酸前体，广泛应用于食品、医药、化妆品、农业和动物饲料等多个行业。微生物发酵法具有大规模生产L -高丝氨酸的巨大潜力，但仍面临产量低的挑战。随着对可持续发展和绿色化学的追求，利用可再生生物质资源生产高附加值化学品成为研究热点。木质纤维素是地球上最丰富的生物质资源之一，其衍生的糖类可作为微生物发酵的碳源。谷氨酸棒杆菌是一种优良的工业生产菌株，具有高效的代谢能力和良好的遗传操作特性，因此成为利用木质纤维素糖生产L-高丝氨酸的理想宿主。

2025年2月19日，中国科学院天津工业生物技术研究所徐宁联合东北农业大学生命科学学院姜巨全教授团队在ACS Sustainable Chemistry&Engineering（IF：7.1）发表题为“Metabolic Engineering of Corynebacterium glutamicum for Efficient l-Homoserine Production from Lignocellulose-Derived Sugars”的研究性文章。在该研究中，作者通过代谢工程改造谷氨酸棒杆菌，成功提高了谷氨酸棒杆菌从木质纤维素衍生糖生产L-高丝氨酸的效率。

图1 文献信息

该研究利用代谢工程手段改造谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）以实现从木质素衍生糖的高效共利用生产L-高丝氨酸。作者通过重排葡萄糖和木糖代谢途径、增强转运蛋白能力以及实施β-葡萄糖苷酶分泌策略，实现了混合糖的联合作用，成功构建出一株高效生产L-高丝氨酸的谷氨酸棒杆菌。L-高丝氨酸的合成途径始于L-天冬氨酸，经过三步反应生成，涉及lysC、asd和hom等3个关键基因。作者首先利用基因编辑技术精准敲出了thrB基因，从而阻断L-高丝氨酸的降解途径，构建了基础生产菌株THC1；随后，作者对lysC和hom基因进行了定点突变，筛选出过表达lysC和hom基因的菌株，有效缓解了菌株的反馈抑制，从而合成更多L-高丝氨酸。为进一步提高菌株的L-高丝氨酸产量，作者敲除了alaT和ddh基因，减少了菌株副产物的生成；与此同时，作者还引入了来自大肠杆菌的rthB基因，强化了L-高丝氨酸的外排能力，减少了胞内产物积累对合成途径的抑制。

图2 利用谷氨酸棒杆菌构建高效生产L-高丝氨酸生产者

作者进一步研究发现谷氨酸棒杆菌合成L-高丝氨酸过程中，原料葡萄糖主要通过磷酸烯醇式丙酮酸：糖磷酸转移酶系统（PTS）摄取，限制了L-高丝氨酸的大量合成。作者发现过表达肌醇渗透酶和葡萄糖激酶能够显著增强菌株利用非PTS途径摄取葡萄糖。作者进一步对iolT1基因的启动子进行了改造，解除了lolR蛋白对其表达的抑制，显著改善了菌株在葡萄糖为碳源的培养基中的生产性能，提高了菌株L-高丝氨酸的产量。

图3 工程葡萄糖代谢以改善谷氨酸棒杆菌的产生

木糖和纤维二糖也是木质纤维素水解产物中的重要成分，然而，野生型谷氨酸棒杆菌无法利用木糖。为了拓展菌株的碳源利用范围，作者将来自大肠杆菌的xylA基因和谷氨酸棒杆菌自身的xylB基因导入菌株，并通过核糖体结合位点（RBS）工程对这两个基因的表达进行精细调控。经过系列筛选，作者获得了能够高效利用木糖的菌株。作者进一步利用分泌和表面展示策略，成功实现了谷氨酸棒杆菌对纤维二糖的有效利用。

图4 工程谷氨酸棒杆菌利用木糖高效生产L-高丝氨酸

在补料批式发酵中，该菌株能够从混合糖中生产出93.1 g/L的L-高丝氨酸，产量为0.41 g/g糖，生产率高达1.29 g/L/h，这是迄今为止谷氨酸棒杆菌生产L-高丝氨酸的最高水平。研究结果表明，谷氨酸棒杆菌是利用木质纤维素生物质生产L-高丝氨酸的有力底盘菌株，进一步巩固了其在工业规模氨基酸生物合成中的重要地位。

图5 THC14菌株在补料分批5L生物反应器中的发酵曲线

本研究通过代谢工程改造谷氨酸棒杆菌，成功提高了其从木质纤维素衍生糖生产L-高丝氨酸的效率。利用木质纤维素衍生糖生产化学品是实现可持续发展的重要途径。本研究展示了通过代谢工程改造微生物，可以高效地将木质纤维素资源转化为高附加值产品，为生物质资源的综合利用提供了新的思路！

参考文献：

Zhaoyue Zhong, Zhenping Ma, Yuzhou Cao, et al. Metabolic Engineering of Corynebacterium glutamicum for Efficient l-Homoserine Production from Lignocellulose-Derived Sugars. ACS Sustainable Chemistry&Engineering. 2025-02-19; doi: 10.1021/acssuschemeng.4c07838.