近日，中国科学院微生物研究所王为善团队与华东理工大学张立新团队合作在Trends in Biotechnology 发表了题为“Systematic development of a highly efficient cell factory for 5-aminolevulinic acid production”的文章，报道了在5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）高效生物制造方向上的突破性进展。此前王为善团队与华东理工大学合作实现卟啉化合物高产，本次研究挖掘到目前催化活性最高的5-ALA合酶（ALAS），并且结合代谢模型以及动态调控等策略，在5 L发酵罐中实现63.39 g/l的5-ALA产量，为文献报道最高。
5-ALA是血红素、叶绿素等卟啉类化合物的关键前体，是一种用途广泛、价值极高的化合物。5-ALA作为卟啉化合物合成的唯一前体，其生物合成一直面临着复杂调控、ALAS缺乏等问题。本研究采用了一种创新的工作流程来探索ALAS的天然多样性。这一工作流程结合了深度学习指导的酶学参数预测从Komagataeibacter diospyri 中挖掘到获得了优良的ALAS，其酶学参数（kcat）比普遍使用的光合细菌Rhodobacter sphaeroides 中的ALAS高2.8倍。通过多靶点组合菌株工程，团队在全基因组尺度模型的辅助下进行了靶点的识别和组合，确保了多靶点的协同效应，并实现了5-ALA滴度的连续提升。还原型辅酶Ⅰ（NADH）的累积而造成的乙酸盐溢出现象是合成生物学及代谢工程改造过程中常出现的问题。在该研究中，团队创建了一个动态响应氧化还原状态的人工平衡系统，减少了NADH在胞内的过量累积，避免乙酸盐溢出并最终提升了产物的产量。最后，团队对转录水平的氧化还原状态调控与补料水平的其他辅助因子之间的动态平衡进行协同优化，以实现5-ALA发酵的最高生产性能。在5 L发酵罐中，5-ALA的产量达到63.39 g/L，生产强度为1.44 g/L/h。
华东理工大学硕士研究生周厚明、博士研究生张承昱为本文的共同第一作者，微生物所王为善研究员、华东理工大学张立新教授和微生物所特别研究助理罗莹为本文共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金及中国科学院项目的经费支持。
原文链接: https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2024.06.004
图1 5-ALA大肠杆菌细胞工厂构建流程
