科普│谷氨酸棒杆菌：氨基酸生产的无名英雄
发布时间：2024-10-14
在微生物世界中，有一些细菌默默无闻却为人类社会的进步作出了巨大贡献。谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）就是这样一种细菌。作为一种不产芽孢、不运动、兼性好氧的革兰氏阳性细菌，它被美国食品药品监督管理局（FDA）认证为安全菌株（Generally Recognized as Safe，GRAS）。
那么，这种看似普通的细菌究竟有何魔力，能够在氨基酸的工业生产中扮演如此重要的角色呢？
谷氨酸棒杆菌年产氨基酸超过600万t，主要产品包括L-谷氨酸、L-赖氨酸、支链氨基酸和L-脯氨酸等。
凭借着生长速度快、底物谱广、工业环境适应能力强以及生产强度高等优势，它已经发展成为一种重要的工业底盘菌。
近年来，它被广泛用于化学品、燃料、材料、天然产物以及重组蛋白的生产。
其中，支链氨基酸（L-缬氨酸、L-亮氨酸和L-异亮氨酸）是人类和动物不能合成的必需氨基酸，广泛应用于食品、化妆品、医药和动物饲料等多个领域。
2020年，全球支链氨基酸市场达到了2.33亿美元，预计到2026年将超过3亿美元。这一市场需求的快速增长，归因于氨基酸在食品营养强化剂和低蛋白日粮添加剂中的推广使用。
目前，支链氨基酸的生产主要依赖谷氨酸棒杆菌进行一步发酵。然而，相较于L-赖氨酸的生产，支链氨基酸的产量仍显不足，通常低于120 g/L。因此，代谢工程的改造成为了提升产量的关键。
在合成生物学领域，研究人员通过对谷氨酸棒杆菌进行代谢工程改造，使得合成路径复杂的L-赖氨酸的产量超过200 g/L，而糖酸转化率也超过了理论最大值的85%。
显然，谷氨酸棒杆菌不仅是一种高效的氨基酸生产菌，更是推动合成生物学发展的重要力量。
支链氨基酸的合成依赖于一种名为乙酰羟酸合酶（acetohydroxyacid synthase, AHAS）的酶。这种酶是支链氨基酸合成的第一个共有酶，也是主要的限速酶。谷氨酸棒杆菌的AHAS由两个亚基组成，由ilvB和ilvN基因编码，能够催化丙酮酸生成L-缬氨酸和L-亮氨酸前体，同时也能催化酮丁酸与丙酮酸生成L-异亮氨酸前体。研究发现，ilvBN与ilvC位于一个操纵子内，该操纵子具有经典的衰减子调控机制，受到3种支链氨基酸的转录弱化调控，这使得对其进行精细表达调控成为提高产量的重要手段。通过对基因的表达调控，研究者们可以显著提升AHAS的表达水平，从而提高支链氨基酸的产量。
为了提高谷氨酸棒杆菌的支链氨基酸生产，研究团队开发了靶基因精细调控元件的系统筛选与表征体系。通过对启动子和核糖体结合位点（ribosomebinding site，RBS）的改造，研究者们成功筛选出了多种高效表达调控元件。例如，经过筛选，PgpmA*启动子的表达强度可达天然启动子的23.3倍，而通过进一步的RBS文库筛选，还获得了62.3倍表达强度的突变体。这种精细的调控策略不仅可以应用于AHAS高效调控，也可为其他关键酶的表达调控提供方法借鉴。通过应用不同强度的调控元件，研究者们发现L-缬氨酸的产量可以随着表达强度的增强而逐步提高。
支链氨基酸合成途径及 ilvBNC 操纵子的转录调控 A：支链氨基酸合成途径. B：ilvBNC 操纵子的转录调控｜生物工程学报，2024, 40(9): 3114-3126
应用不同表达调控元件生产 L-缬氨酸 A：菌株构建示意图. B：24 孔板 L-缬氨酸产量｜生物工程学报，2024, 40(9): 3114-3126
谷氨酸棒杆菌在氨基酸生产中的重要性不容小觑。随着合成生物学的不断发展，我们对其代谢路径的理解将更加深入，这将为工业生产提供更为高效和可持续的解决方案。未来，谷氨酸棒杆菌有望在食品安全、医药健康及环保等多个领域发挥更大作用。
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