陈坚院士团队周景文教授课题组改造大肠杆菌转化烟酰胺与葡萄糖发酵NMN达16.2克/升

 烟酰胺单核苷酸（Nicotinamide mononucleotide, NMN）作为哺乳动物体内NAD +的重要前体，其生理价值已被广泛认可，这导致了NMN产品的快速商业化。已报道的NMN在不同生物体中的生物合成过程可分为几组：（1）在哺乳动物中还有一些细菌，NMN是使用烟酰胺和5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate (PRPP) 作为前体，通过烟酰胺磷酸核糖基转移酶(NAMPT)合成的；(2)在大多数缺乏NAMPT的细菌中，如大肠杆菌，NMN主要是通过DNA连接酶消耗NAD +而产生的；（3）在一些缺乏这两种方式的细菌中，如土拉弗朗西斯菌（Francisella tularensis），NMN合酶(FtNadE)用于催化烟酸单核苷酸(NaMN)胺化为NMN；（4）在一些哺乳动物中，NMN也可以由烟酰胺核苷(NR)通过烟酰胺核苷激酶(NRK)介导的磷酸化反应合成的。尽管全细胞催化是目前NMN合成的有效方法，但因其生产效率低导致生产成本较高。

近日，我中心陈坚院士团队周景文教授课题组在《ACS Synthetic Biology》上发表文章“Systematic Engineering of Escherichia coli for Efficient Production of Nicotinamide Mononucleotide From Nicotinamide”。文章采用路线1，通过添加烟酰胺和葡萄糖直接生物合成NMN。作者首先对大肠杆菌进行系统改造，敲除相关NMN降解基因nadR、pncC、ushA和PRPP调控因子purR，确保大肠杆菌中烟酰胺稳定转化为NMN。接下来，作者通过对不同来源的8种NAMPT进行比较，从中确定了最佳的NAMPT（来自弧菌噬菌体KVP40），其具有最佳的从烟酰胺生产NMN 的催化活性。此外，为了增加PRPP 的供应，来自解淀粉芽孢杆菌的PRPP 合酶基因BaPRSL135I被共表达。引入 NMN外排蛋白BMPnuC后，细胞外NMN 的积累进一步增加。随后作者优化了用于NMN合成的VpNadV、BaPRSL135I和NMN外排蛋白BMpnuC的表达，用pET-28a (+)表达BaPRSL135I和VpNadV，用pCDFDuet表达BMpnuC，使得在摇瓶水平上NMN的产量达2.6 g/L。最后通过优化的补料分批生物转化工艺，在 5 L 生物反应器中25 小时内可从6.1 g/L 烟酰胺中获得16.2 g/L NMN，烟酰胺的转化率为97.0%，实现了最高滴度的NMN 生产。

综上，作者在大肠杆菌中以烟酰胺为底物，实现了NMN的最高滴度合成，并为进一步提高 NMN 及其衍生物如NR、NAD(P) +和 NAD(P)H 的生产提供了见解。