南京工业大学挖掘PQQ高产菌株，为规模化生产奠定基础

吡咯喹啉醌（PQQ）具有抗氧化、抗衰老和增强免疫等重要生理功能，在医学、化妆品和保健领域展现出良好的应用前景。

近日，南京工业大学姜万奎姜万奎副教授、信丰学教授在 Chemical Engineering Journal 发表了题为“Breeding and genomic analysis of the high PQQ-producing strain Hyphomicrobium denitrificans NJTU3-43”的研究论文。该研究首先筛选一株具有 PQQ 生产能力的Hyphomicrobium denitrificans，通过多轮复合诱变，成功选育出一株高产 PQQ 突变菌株 NJTU3-43。

基因组比对分析显示，突变菌株基因组中存在多个与 PQQ 合成相关基因的拷贝，突显了其在 PQQ 生产和甲醇代谢方面的优势，且电子传递黄素蛋白（ETF）的位点突变是提高菌株 NJTU3-43 合成 PQQ 效率的关键因素。通过甲醇分批补料发酵，在 5 L 发酵罐中 PQQ 产量达 208.4 mg/L，PQQ 含量达 57.9 mg/g，为目前报道的最高 PQQ 生物合成含量。本研究为 PQQ 的工业化生产提供了菌株资源和技术借鉴。博士生孙敬翔为论文第一作者，姜万奎、信丰学教授为通讯作者。研究获得国家重点研发计划(2023YFC3403500)，国家自然科学基金(22408164)和江苏省杰出青年基金(BK20220052)资助。

PQQ 是一种水溶性的邻位醌类化合物，具有红棕色外观和芳香气味。作为脱氢酶的辅酶，PQQ 可促进底物向泛醌的电子转移。此外，PQQ 还具有抗氧化、辐射保护、抗癌和保护神经等作用，使其在食品、医疗和工业领域具有巨大的应用潜力，目前 PQQ 市场价格达 1.5 万/公斤。PQQ 主要通过化学合成法生产，但会产生一些有毒副产品，限制了其进一步的应用。随着合成生物学的快速发展， PQQ 的合成途径已在大肠杆菌等模型微生物中成功重建，但工程菌株的 PQQ 生产水平仍然相对较低，最高仅为 51.3 mg/L。因此，筛选和培育高效 PQQ 生产底盘菌株仍然至关重要。

本研究首先成功筛选到一株 PQQ 生产菌株，将其命名为 H. denitrificans NJTU3（图 1），并系统探究了碳源、氮源、pH 值和金属离子对菌株生长及 PQQ 生产的影响（图 2）。为了提高 PQQ 的合成效率，通过 EMS 对菌株 NJTU3 进行多轮复合诱变，最终选育出一株具有高效 PQQ 合成能力的突变菌株 NJTU3-43，相比原始菌株 PQQ 产量提高了 23.1%（图 3）。

研究人员通过基因组分析发现，与其它 PQQ 生产菌株相比，菌株 NJTU3-43 具有最多的 5 个拷贝数的编码 PQQ 合成前体肽 PqqA 的基因、2 个拷贝数的编码 PQQ 生物合成伴侣肽 PqqD 的基因、2 个拷贝数的编码 PQQ 合成蛋白 PqqE 的基因以及 7 个拷贝数的 PQQ 依赖性甲醇脱氢酶基因。这一基因组特征增强了菌株 NJTU3-43 合成 PQQ 的代谢通量，并为其利用甲醇生产 PQQ 提供了显著优势（图 4）。

通过基因比较组学分析，发现菌株 NJTU3-43 的电子传递黄素蛋白（ETF）存在单核苷酸突变，这一突变可能会降低 ETF 蛋白的稳定性，进而加强活性氧的产生，引发氧化应激。菌株 NJTU3-43 通过加强 PQQ 的合成，结合因 ETF 突变泄露的电子，从而减少 ROS 的产生，最终提高突变菌株 PQQ 产量（图 5）。

最后，在 5 L 生物反应器中进行甲醇分批补料发酵，菌株 NJTU3-43 的 PQQ 产量达 208.4 mg/L，PQQ 含量达 57.9 mg/g，为目前报道的最高 PQQ 生物合成含量（图 6）。研究成果为 PQQ 的工业化生产提供了优质菌株资源，也为代谢工程改造其它模式微生物合成 PQQ 提供了基因元件和技术借鉴。

1. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S138589472502827X

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