江南大学周景文团队开发微生物发酵合成新策略

作为用于合成蛋白质的 20 种氨基酸之一，L-酪氨酸（L-tyrosine）是一种重要的营养必需氨基酸，对人和动物的新陈代谢、生长发育起着重要的作用。此外，它还是包括左旋多巴、丹参素、白藜芦醇、羟酪醇等许多重要化工产品的原料，广泛应用于食品、饲料、医药、化工等行业。

近年来，行业对于 L-酪氨酸的需求量持续攀升，目前市场价格已高达每吨8 万元左右，然而现阶段，L-酪氨酸的主流生产方式，即利用微生物发酵生产 L-酪氨酸的产量依然较低，限制了工业化的大规模生产和应用，业界亟待开发出更加高效的新生产策略。

近期，江南大学未来食品科学中心周景文课题组通过对大肠杆菌生物合成途径进行一系列优化，改造后的工程菌株在 5L 发酵罐中发酵 62 小时产出 L-酪氨酸的滴度达到 92.5g/L。目前，这项研究成果已经以“Synergetic engineering of Escherichia coli for efficient production of l-tyrosine”为题发表在Synthetic and Systems Biotechnology上。

（来源：Synthetic and Systems Biotechnology）

L-酪氨酸的传统生产方法包括蛋白质水解法、化学合成法、酶法以及微生物发酵法，其中，前两种方法已经逐步被淘汰，目前常用的主要是酶法和微生物发酵法。

虽然酶法具有周期短、选择性强、转化率高等优点，但同时也存在成本高、天然酶活性低和稳定性差、污染环境等缺点。相较之下，微生物发酵更具优势，其利用简单碳源作为原料即可实现 L-酪氨酸的从头合成，具有成本低、工艺简单并且环境友好，因此，利用微生物从头合成 L-酪氨酸被认为具有广阔前景。

但这还需要克服一些挑战，包括合成过程中莽草酸途径的低代谢通量以及基因工程中的复杂代谢调节等，另外，在补料分批发酵过程中，菌株需要长时间进行高密度和高强度的生产，菌株缺乏持久性和稳定性是工业化生产的重要限制因素。

如今，代谢工程和生物技术的发展，让合理设计和优化微生物的代谢途径以高效生产 L-酪氨酸变得可行。就现阶段而言，常用策略主要集中在增加莽草酸途径的通量方面，包括增加前体供应、增加中间酶表达水平和释放反馈抑制等。

▲图｜研究流程示意（来源：Synthetic and Systems Biotechnology）

在这项研究中，周景文团队对先前已报道的 L-酪氨酸生产方法进行了全面评估，然后进行了组合验证。为了进一步提高 L-酪氨酸的滴度，他们对 L-酪氨酸转运系统进行了改造以减少 L-酪氨酸在细胞内的积累，然后引入磷酸酮醇酶途径，并进行辅因子工程，将葡萄糖代谢引导至莽草酸途径以合成 L-酪氨酸。

另外，为了提高 L-酪氨酸在发酵中后期的积累，他们也对大肠杆菌的乙酸途径进行了改造，通过适应性进化提高了菌株对乙酸的耐受性。

最后，他们在 5L 发酵罐中进行了系统的发酵优化，该工程菌株发酵62 小时产出的 L-酪氨酸滴度达到 92.5g/L，这是迄今为止报道的最高滴度。

▲图｜利用葡萄糖生物合成 L-酪氨酸（来源：Synthetic and Systems Biotechnology）

总的来说，周景文和团队的这项研究，通过调控莽草酸途径中关键酶的表达、改造 L-酪氨酸转运系统和乙酸途径等获得工程菌株，对其进行耐酸适应性进化以提高对乙酸的耐受性，最后通过发酵优化获得目前最高滴度的 L-酪氨酸，为今后工业规模生产提供新策略。

▲图｜江南大学生物工程学院教授、博士生导师周景文（来源：江南大学）

这篇论文通讯作者周景文是江南大学生物工程学院教授、博士生导师，未来食品科学中心副主任。长期以来，他课题组主要从事微生物代谢工程和合成生物学强化微生物合成植物天然产物相关研究。截至目前，周景文已获 115 项发明专利，他和团队的相关工作也已实现了多项发酵产品的工业规模化生产。

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