本期為您推薦江南大學未來食品科學中心副主任周景文教授團隊發表在Synthetic and Systems Biotechnology上面的一篇文章：Synergetic engineering of Escherichia coli for efficient production of L-tyrosine。本研究通過協同工程策略，針對莽草酸途徑并微調代謝過程，并利用實驗室適應性進化（MMC）提高菌株對酸性條件的耐受性，最終獲得了一株優化的菌株，在5升發酵罐中62小時內能夠產生92.5 g/L的L-酪氨酸，對L-酪氨酸的工業化生產有著重要的意義。
L-酪氨酸在食品、飼料、化工和制藥行業中具有廣泛的應用，它不僅是多種天然產物的前體，如咖啡酸、類黃酮和姜黃素等，還涉及治療帕金森綜合癥的藥物L-DOPA的合成。盡管L-酪氨酸具有重要的工業價值，傳統化學合成或者酶促法生產酪氨酸的工藝存在成本高和穩定性差的缺點。微生物發酵法產酪氨酸具有成本低，操作簡單等優勢，但是也存在產量較低，高密度發酵菌株不夠穩定等缺點。
研究人員以大腸桿菌WSH-Z06作為起始菌株，對莽草酸和芳香氨基酸積累相關的幾個基因進行過表達和敲除混合驗證，得到一株聯合4個基因過表達與3個基因敲除的菌株，48 h搖瓶L-酪氨酸產量達到4.22 g/L（圖2 ）。接著在其莽草酸途徑中添加磷酸解酮酶途徑（PK），發現菌株在搖瓶中的OD600提升了9.8%，但是整體的L-酪氨酸產量呈現降低趨勢。整合2個NADH與NADPH互相轉化的基因后，得到的菌株產量提升至6.17g/L（圖3a）。將該菌株進行5L發酵罐水平的發酵，L-酪氨酸的產量達到50.2 g/L，同時在發酵液中檢測到12.4 g/L的乙酸（圖3b），高濃度乙酸導致了菌體生長被明顯抑制（圖3b）。
為了減少乙酸的累積，對大腸桿菌乙酸生產途徑基因進行敲除，得到的菌株乙酸產量下降33.6%，菌體生長略有改善。進一步提升其對乙酸的耐受性，提高賴氨酸產率，利用MMC（微生物液滴連續傳代進化儀）進行適應性進化，在液滴體系下對超過200個液滴進行50次傳代篩選，不斷提高乙酸濃度，得到在pH 5.1下生長良好的菌株，最好搖瓶水平產量為7.11 g/L（圖4）。通過在5L發酵罐中控制葡萄糖濃度與溶氧，最終L-酪氨酸產量達到92.8 g/L。
這一系列綜合的工程策略顯著推進了L-酪氨酸在微生物合成中的產量，為工業級生產提供了有力的實驗支持。
圖1 葡萄糖生物合成L-酪氨酸途徑
圖2 敲除和過量表達基因后賴氨酸的產量
圖3 優化菌株搖瓶與5L發酵罐發酵結果
圖4 大腸桿菌乙酸體系改性及耐酸性進化
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.synbio.2023.10.005
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