天津科技大学代谢工程改造大肠杆菌，实现N-乙酰神经氨酸高效生产

Neu5Ac 是一类重要的唾液酸，在婴幼儿配方奶粉、抗病毒药物和免疫调节剂等多个领域有着广泛应用，市场需求巨大。传统生产方式主要依赖从天然产物中提取，如燕窝，但原料稀缺、成本极高。相比之下，利用微生物发酵法生产 Neu5Ac 更具可持续性。然而，大肠杆菌的代谢网络并非为 Neu5Ac 合成而设计，研究人员长期面临两大瓶颈。其一是合成路径中对磷酸烯醇丙酮酸（PEP）的依赖，PEP 既是 Neu5Ac 合成的关键前体，又在葡萄糖吸收和能量代谢中发挥重要作用，竞争关系严重制约产量。其二是碳代谢失衡导致乙酸副产物的积累，乙酸会破坏细胞膜结构并抑制生长，使发酵效率迅速下降。

近日，天津科技大学谢希贤、马倩研究团队报道了一项重要突破，他们通过系统代谢工程手段对大肠杆菌进行多维度改造，使其实现了 N-乙酰神经氨酸（Neu5Ac）的创纪录产量，在 5 升生物反应器中达到了 77.12 g/L。这一成果发表于期刊 Bioresource Technology，题目为“Metabolic engineering of Escherichia coli for highly efficient N-acetylneuraminic acid production”，为高附加值化合物的工业化生产提供了重要范式。

为了突破上述难题，该研究并未采取单一优化措施，而是采用了系统性、多维度的组合改造策略。研究团队首先在已有的高产 N-乙酰葡萄糖胺工程菌株的基础上，引入 Neu5Ac 合成相关酶，并通过拷贝数调控提升合成效率，构建了坚实的代谢基础。随后，团队针对 PEP 分配展开优化。他们用非 PTS 系统替代了大肠杆菌自身的 PTS 葡萄糖转运方式，从而避免了在底物摄取过程中消耗 PEP，并通过敲除次要丙酮酸激酶基因 pykA，增加了 PEP 在胞内的可用量。与主要基因 pykF 的调控相比，pykA 的改造在不明显影响细胞生长的前提下更具优势，有效缓解了 PEP 的竞争矛盾。

图 | 系统代谢工程策略，通过优化前体分配、降低乙酸生成并提升 ATP 供应

在乙酸控制方面，研究团队通过敲除 ackA、poxB 和 pta 等关键基因大幅降低了乙酸生成，但并未彻底消除积累问题。进一步的实验发现，降低发酵温度至 30℃ 可以有效延缓乙酸积累的时间窗口。这一过程优化策略使细胞在生产关键阶段能够保持更稳定的代谢状态，为 Neu5Ac 的高水平合成提供了保障。

更加引人注目的创新来自能量代谢层面的改造。研究团队关注到即使阻断了已知的乙酸合成途径，乙酸仍存在持续积累现象，提示可能与细胞能量代谢有关。他们通过敲除 rhaB 基因获得了突破性进展。rhaB 编码的 L-鼠李糖酮激酶（L-rhamnulose kinase）具有广泛的底物特异性，可能会消耗 ATP 去磷酸化一些细胞内源产生的稀有糖或代谢中间物，敲除该基因后显著提高了细胞内 ATP 水平。随着能量状态改善，细胞代谢过程趋于平衡。最终，在发酵罐中乙酸积累的起始时间从 28 小时成功推迟至 34 小时，延迟了约 6 小时，这不仅进一步削弱了乙酸积累，还显著增强了 Neu5Ac 的合成能力。这一策略展示了能量管理在微生物代谢工程中的关键作用。

图 | rhaB 基因缺失株表现出更高的 ATP 水平和 Neu5Ac 产量，同时乙酸积累被显著抑制，凸显能量代谢优化的关键作用

经过多维度的代谢重构和过程优化，最终构建的工程菌株 NEA-27 在 5 升反应器中表现出优异性能，Neu5Ac 产量达到 77.12 g/L，生产率为 1.38 g/L/h，糖酸转化率为 0.217 g/g 葡萄糖，三项指标均达到迄今为止已报道的最高水平。这一结果不仅刷新了 Neu5Ac 的生产纪录，也为类似依赖高能前体的代谢产物合成提供了参考路径。

该研究的意义不仅在于实现了高产，更在于提出了一个系统性的工程范式。通过同时调控前体供给、副产物生成与能量状态，研究团队展示了如何在复杂的代谢网络中实现最优资源配置。这一协同优化策略突破了单点改造的局限，为其他依赖 PEP 或 ATP 的高附加值化学品的生物制造提供了可借鉴的解决思路。未来，这一方法有望在更多微生物细胞工厂中推广应用，加速合成生物学向产业化转化的进程。

1.Sun C, Yi J, Zhang Y, et al. Metabolic engineering of Escherichia coli for highly efficient N-acetylneuraminic acid production. Bioresour Technol. Published online September 15, 2025. doi:10.1016/j.biortech.2025.133343

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