L-精氨酸是一种半必需氨基酸，具有多种生理功能。近年来，随着L-精氨酸需求的增加，利用微生物发酵法生产L-精氨酸越来越得到重视，构建L-精氨酸高产菌株有利于推动我国工业发展，符合国家绿色生物制造发展需求。氨甲酰磷酸作为一种重要的高能磷酸化合物，在微生物代谢网络中位于精氨酸和嘧啶合成途径的“交叉点”，为两种物质的生物合成提供氨基甲酰基团。近年来，氨甲酰磷酸的生物合成机制得以解析并广泛应用于高产嘧啶及其衍生物的菌种改造中，在胞苷、尿苷及其衍生物等产品的生物合成方面已取得显著成效，而目前围绕氨甲酰磷酸的代谢改造在高产L-精氨酸的菌种选育中应用较少。围绕氨甲酰磷酸供给与L-精氨酸的合成开展研究，提高L-精氨酸的产量，具有深远的研究价值和意义。
饶志明教授团队以钝齿棒杆菌SYPA5-5作为底盘细胞，敲除氨甲酰磷酸合成酶CPS II的大亚基编码基因carB，发现敲除菌株为L-精氨酸和嘧啶的双重营养缺陷型，证明了氨甲酰磷酸对于菌体生长代谢的重要性。为增加氨甲酰磷酸合成串联表达CPS II编码基因使酶活提高10.73倍，然后将谷氨酰胺合成酶GS的编码基因glnA的原始启动子替换为强启动子Psod，从而增加CPS II的底物供给，使L-精氨酸产量在摇瓶水平达到32.8±0.6 g∙L-1。表达E. faecalisV583来源的氨甲酰激酶CK为钝齿棒杆菌引入全新的氨甲酰磷酸合成途径，使其可以利用无机氨作为底物合成氨甲酰磷酸，胞内氨甲酰磷酸总合成速率提高10.35倍。敲除脱氢酶编码基因，使副产物乳酸合成量下降91.93%，同时节约NADH用于ATP生成，为氨甲酰磷酸合成增加ATP供应。最终获得的重组菌株在5L发酵罐水平可生产68.6±1.2 g∙L-1的L-精氨酸，较原始菌株提高54.5%，说明增加氨甲酰磷酸的供应是提高L-精氨酸生产的有效策略。
图1钝齿棒杆菌中L-精氨酸合成途径及本研究促进生产L-精氨酸的代谢工程策略
图2氨甲酰磷酸对细胞生长与L-精氨酸合成的影响
饶志明教授和徐美娟副教授为该论文的通讯作者，2018级硕士生王晴为该论文的第一作者。上述研究工作得到了科技部重点研发计划项目（2018YFA0900300）、国家自然科学基金（31770058）和江苏省自然科学基金（BK20181205）等项目的资助。
