关键词：代谢流分析、果糖激酶、gapN、海洋巨藻
DOI: org/10.1016/j.ymben.2018.04.019
发表杂志：metabolic Engineering
通讯作者：德国萨尔大学系统生物技术研究所Prof.Christoph Wittmann
研究背景：
赖氨酸跻身全球最重要的生物技术产品。用最具吸引力的新材料生产赖氨酸，是一个永远存在的挑战。
海洋大型藻类是一种可在全球范围内养殖，非常具有吸引力的第三代可再生资源。甘露醇是该藻类的主要成分（含量高达30％或更高），并且可以用热水容易地从其生物质中提取。
本研究可实现以甘露醇为底物合成赖氨酸，为利用海洋大型藻类生产赖氨酸开辟了新途径。
文章脉络：
1、mtlR基因敲除及代谢分析
本文以LYS-12为出发菌，此菌株在葡萄糖基中产赖氨酸，以甘露醇为唯一碳源时不能生长。
首先缺失编码甘露醇阻遏蛋白MtlR的mtlR基因，获得SEA-1菌株。检测发现，SEA-1能在甘露醇中生长，且产赖氨酸，但产量较低。分析原因为，果糖积累较多，及NADPH供应量不足，氧化戊糖磷酸（PP）途径的通量仅为6％。整个发酵阶段平均转化率为0.15mol/mol。
2、异源果糖激酶表达及代谢分析
为改善果糖利用，在SEA-1中分别异源整合丙酮丁醇梭菌的scrK基因和大肠杆菌的mak基因，获得SEA-2A和SEA-2B菌株。检测发现，SEA-2B较SEA-2A，果糖激酶活性提高了50%，赖氨酸的转化率升高至0.20mol/mol，产量升高了25%，达10.8mM。
3、NADPH依赖性甘油醛3-磷酸脱氢酶（GapN）的表达及代谢分析
异源果糖激酶的引入，对改善果糖利用和提升赖氨酸产量有效，但并未将代谢流由EMP途径导向PP途径。大部分碳流绕过PP途径，进入了不产NADPH的EMP途径，NADPH的供应因此受到限制。
基于此分析，于是在SEA-2B中引入变形链球菌的NADPH-依赖的甘油醛-3-磷酸脱氢酶GapN（质粒表达），得到菌株SEA-3。SEA-3的生长及产酸情况均有所改善，甘露醇的消耗速率上调了20%，22h可消耗完，且无果糖积累，赖氨酸的产量达到14mM，转化率达到24mol/mol，生产强度1.1 mmol/ g/ h。
4、发展前景
计算机模拟途径分析表明，此通路的赖氨酸转化率能达到0.9mol/mol，有很大的提升空间。本研究为利用海洋大型藻类生产赖氨酸开辟了新的途径。
图1：谷氨酸棒状杆菌中的甘露醇操纵子（A）和甘露醇分解代谢路径（B）
图2：由甘露醇生产赖氨酸的谷氨酸棒状杆菌的系统代谢工程
