微生物所于波团队构建新一代L-高丝氨酸细胞工厂

L-高丝氨酸是一种重要的非蛋白氨基酸，广泛用于精草铵膦、2,4-二羟基丁酸、1,4-丁二醇及L-甲硫氨酸等多种高附加值手性化学品的合成。近年来，L-高丝氨酸的微生物合成技术快速发展，但多数菌株依赖质粒表达系统或营养缺陷型遗传背景，在工业生产中仍面临遗传稳定性差与规模化生产受限等突出瓶颈。

近日，中国科学院微生物研究所于波研究团队在Metabolic Engineering上发表题为“Boosting L-homoserine production by non-auxotrophic E. coli strain via iterative rational design and tolerance engineering”的研究论文。该研究通过迭代理性设计与耐受性工程改造相结合的策略，构建了新一代非营养缺陷型、无质粒的L-高丝氨酸高产大肠杆菌工程菌株，使用低成本无机盐培养基发酵，产量与生产强度均达到目前已报道的最高水平。

研究团队在前期构建的L-高丝氨酸菌株HS15（Metabolic Engineering, 2021）基础上，首先通过竞争性必需氨基酸合成途径的动态调控，解除了菌株的多重氨基酸营养缺陷；利用理性设计的5′非翻译区（5′UTR）文库，对关键途径基因thrA*精细调控，实现染色体单拷贝插入表达水平超越质粒表达系统，成功获得无质粒、非营养缺陷菌株GHS03。团队进一步利用全基因组突变器，结合适应性实验室进化，快速将菌株对L-高丝氨酸的耐受浓度提升到100 g/L以上。通过发酵工艺优化，菌株NS18在低成本无机盐发酵培养基中，48小时L-高丝氨酸产量达144.5 g/L，产率0.48 g/g。最后，研究团队综合运用比较基因组学、转录组学以及代谢物分析，解析了进化菌株的高产和耐受分子机制。结果表明，kdgK和mobB等关键基因的失活，对提升菌株耐受性与产量起到关键作用；进化菌株NS18中三羧酸循环和磷酸戊糖途径关键基因显著上调，胞内NADPH水平明显升高，为L-高丝氨酸高效合成提供充足还原力；此外，分支链氨基酸合成通路上调，提示菌株在高浓度产物胁迫下获得了更优的生理适应能力。

该研究有效攻克了L-高丝氨酸生物合成中的产物毒性难题，提出了理性设计与非理性进化相结合的系统性的细胞工厂优化策略，为L-高丝氨酸及其下游产品的工业化生产奠定了技术基础。

菌株NS18的高产和耐受机制

中国科学院微生物研究所博士研究生郑杰为论文第一作者，微生物所于波研究员为论文通讯作者。研究得到了北京市科技计划项目等经费支持。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ymben.2026.102491