张科春团队进化非磷酸化代谢途径，显著提升2-酮戊二酸衍生物产量

在生物学的世界里，有许多复杂而奇妙的过程，而其中一个重要的过程就是如何将简单的糖类转化为有用的化合物。最近，西湖大学的张科春教授团队发现了一种新方法，可以通过进化非磷酸代谢途径来提高2-酮戊二酸（2-KG）衍生物的生产效率。这项成果发表在最新一期 Journal of Agricultural and Food Chemistry 期刊，题为“Evolving Nonphosphorylative Metabolism for Improving Production of 2-Oxoglutarate Derivatives”。

想象一下，如果你有一个魔法药水，可以从一个简单的糖（比如木糖）开始，经过一系列的化学变化，最终生产出一种有用的化合物。这就是非磷酸代谢途径所做的。它就像一条生物化学的高速公路，将简单的糖转化为复杂的化合物。然而，这条高速公路并不是完美的。在过程中，有一个关键的酶 CcXylX，它的活性很低，限制了整个途径的效率。为了提高这条高速公路的效率，张科春教授团队决定对 CcXylX 进行改造。

由于缺乏已解析的 CcXylX 晶体结构，无法通过理性设计对其进行工程化。因此，本研究采用定向进化策略，通过误差易感 PCR 构建了 CcXylX 的突变文库。经过三轮进化和筛选，获得了三个表现出更快菌株生长速率的突变体（mXylX1、mXylX2、mXylX3）。

为了验证这些突变体是否提高了 Weimberg 途径的代谢通量，将它们引入生产 2-KG 衍生物的菌株 S-05-S 中。通过检测 D-木糖的消耗量（仅能通过 Weimberg 途径代谢），发现携带突变体的菌株 D-木糖消耗量较野生型菌株提高了 31%（11.8 g/L vs. 9 g/L），表明突变体的酶活性显著提升。进一步的酶学分析显示，mXylX3 的 kcat 值较野生型提高了 3 倍，且突变体与野生型在表达水平上无显著差异，表明活性提升主要源于突变酶本身的改造效果。

为验证进化后的 CcXylX 是否能够提升 2-KG 衍生物的产量，该团队将其引入L-谷氨酸生产菌株 S-05-S 和 L-脯氨酸生产菌株 S-06-P 中，分别构建了 S-05-S/E-M1 与 S-05-S/M1，以及 S-06-P/E-M1 与 S-06-P/M1。在葡萄糖和 D-木糖共同作为底物的发酵实验中，结果显示 S-05-S/E-M1 的 L-谷氨酸产量为 8.3 g/L，较 S-05-S/M1（6.3 g/L）提高了 32%，产率提升 18%（0.67 g/g vs. 0.57 g/g）。同时，S-06-P/E-M1 的 L-脯氨酸产量为 4.3 g/L，较 S-06-P/M1（2.4 g/L）提高了 79%，产率提升 76%（0.37 g/g vs. 0.21 g/g）。此外，在共表达 Weimberg 途径与同分异构酶途径的菌株中，进化后的 CcXylX 同样提高了 2-KG 衍生物的产量。

通过改造 Weimberg 这一非磷酸化代谢途径，本研究显著提升了从 D-木糖生产 2-KG 衍生物的效率，进化后的 CcXylX 均表现出优于野生型的性能，使L-谷氨酸的产量提高了 32%，L-脯氨酸的产量提高了79%。

本研究不仅为木质纤维素生物技术的发展提供了全新视角，还打开了通向更广泛应用的大门，尤其是在经济高效地生产 2-KG 衍生物方面。除了L-谷氨酸和L-脯氨酸外，这一成果还为其他高附加值化合物的合成奠定了基础，例如 1,4-丁二醇和 γ-丁内酯等，这些化合物在塑料、生物降解材料和溶剂工业中具有重要应用前景。

这项工作犹如发现了一份“魔法药剂”的配方，通过精心调整关键酶的性能，大幅提升了整个代谢过程的效率。每一次改造和优化都像在调配一滴神奇的药水，将普通的原料转化为价值非凡的产品。或许，在未来的研究中，我们能够利用类似的方法，探索更多未曾涉足的生物化学路径，发掘新的代谢网络。这些突破不仅会为生物制造业注入新的活力，也可能催生更多令人惊喜的技术成果，为我们的日常生活带来意想不到的便利。

1.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.4c08879?goto=supporting-info