D-泛解酸作為維生素 B? 的關(guān)鍵前體，在食品、化妝品和飼料等行業(yè)發(fā)揮著不可或缺的作用，其市場需求也隨之日益增長。

然而，傳統(tǒng)化學(xué)合成方法因使用高毒物質(zhì)、污染嚴(yán)重且不環(huán)保而存在明顯弊端，相比之下，微生物發(fā)酵雖被視作頗具潛力的替代途徑，但 D-泛解酸產(chǎn)量偏低的狀況一直阻礙著其大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

近日，來自浙江工業(yè)大學(xué)的柳志強(qiáng)研究團(tuán)隊，在 Journal of Agricultural and Food Chemistry 上發(fā)表了一篇題為“Metabolically Modifying the Central and Competitive Metabolic Pathways for Enhanced DPantoic Acid Synthesis”的研究，為解決這一難題帶來了新的希望。他們選擇大腸桿菌作為研究對象，通過代謝工程改造菌株，最終實現(xiàn)了 D-泛解酸生物合成量的明顯提高。

值得注意的是，該團(tuán)隊曾在 2024 年 10 月發(fā)文，利用大腸桿菌代謝工程增強(qiáng) D-泛酸（維生素 B5）的產(chǎn)量，實現(xiàn)了 86.03 g/L 的滴度。目前，D-泛酸的微生物合成主要集中在大腸桿菌、巨大芽孢桿菌、谷氨酸棒狀桿菌、枯草芽孢桿菌和釀酒酵母。

圖｜ D - 泛解酸合成代謝途徑（來源：上述論文）

實驗初始，該團(tuán)隊便將目光聚焦于大腸桿菌的中心代謝和副產(chǎn)物形成途徑。原始大大腸桿菌的菌株 DF1 雖在此前經(jīng)過基因改造，但 D-泛解酸產(chǎn)量仍不盡人意，在搖瓶和 5 L 發(fā)酵罐中分別僅能達(dá)到 0.75 g/L 和 8.74 g/L，并且發(fā)酵液中存在大量副產(chǎn)物，像乙酸（4.10 g/L）、乳酸（3.89 g/L）和 α-酮戊二酸（4.50 g/L）等的積累問題尤為突出。

為有效提升 D-泛解酸產(chǎn)量，研究人員首先采取措施增強(qiáng)丙酮酸（PYR）前體的供應(yīng)。他們巧妙地將 PYR 激酶 I 基因 pykA 的啟動子替換為強(qiáng)啟動子 Ptrc，這一舉措使得 D-泛解酸產(chǎn)量成功提高到 0.85 g/L。隨后，研究人員對 panB 基因過表達(dá)，并引入異源基因 alsS。通過這一系列操作，D-泛解酸產(chǎn)量進(jìn)一步提升至 1.33 g/L。

在應(yīng)對副產(chǎn)物問題上，研究團(tuán)隊也實施了一系列針對性策略。他們通過敲除基因 poxB、ldhA，成功減少了乙酸和乳酸的生成。同時，引入重組質(zhì)粒 99A-BS，使得菌株 DF4/99A-BS 中乙酸和乳酸的積累量顯著降低，從而為 D-泛解酸合成保留了更多寶貴的碳源。

圖｜DF9/99A - BSB 的 D-泛解酸產(chǎn)量上表現(xiàn)最優(yōu)，同時副產(chǎn)物積累量相對較低（來源：上述論文）

雖然菌株 DF4/99A-BS 中乙酸和乳酸的積累量已經(jīng)顯著降低，但可能仍存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間，研究團(tuán)隊利用 CRISPRi 系統(tǒng)展開深入研究，成功篩選出與α-酮戊二酸代謝和運輸緊密相關(guān)的 6 個關(guān)鍵基因（ppc、mdh、icd、sucA、kgtP 和 dcuA）。在后續(xù)研究中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，對這些基因進(jìn)行不同方式的調(diào)控，如敲除 ppc、kgtP、dcuA 基因，上調(diào) mdh、icd、sucA 基因表達(dá)等，能夠顯著影響 D-泛解酸合成和α-酮戊二酸積累。

例如，敲除 ppc 基因雖在一定程度上降低了 α-酮戊二酸積累，但也對細(xì)胞生長和 D-泛解酸產(chǎn)量產(chǎn)生了負(fù)面影響；而上調(diào) mdh 基因表達(dá)則有力地促進(jìn)了草酰乙酸合成，進(jìn)而促使細(xì)胞生長和 D-泛解酸產(chǎn)量得以恢復(fù)。

最終，經(jīng)過多輪精心設(shè)計的代謝修飾，菌株 DF9/99A-BSB 展現(xiàn)出強(qiáng)大的生產(chǎn)潛力。在搖瓶發(fā)酵 48 小時后，其 D-泛解酸產(chǎn)量達(dá)到 2.03 g/L，而在 5 L 生物反應(yīng)器中進(jìn)行補(bǔ)料分批發(fā)酵 76 小時后，產(chǎn)量達(dá)到 14.78 g/L，同時副產(chǎn)物乙酸、乳酸和 α-酮戊二酸的積累量大幅降低。

圖｜DF9/99A - BSB 的 D-泛解酸產(chǎn)量上表現(xiàn)最優(yōu)，同時副產(chǎn)物積累量相對較低（來源：上述論文）

這項研究是首次成功通過調(diào)控與 α-酮戊二酸相關(guān)的關(guān)鍵基因，顯著提高了 D-泛解酸的生物合成效率，為 D-泛解酸的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)提供了可能性，也為其他相關(guān)代謝物的研究開辟了全新的思路。

相信在未來，隨著研究的持續(xù)深入，科研人員有望進(jìn)一步優(yōu)化微生物發(fā)酵工藝，實現(xiàn)更高效、更環(huán)保的 D-泛解酸生產(chǎn)，從而更好地滿足不斷增長的市場需求。

參考文獻(xiàn)：

1.https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39772599/

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網(wǎng)址: 浙工大改造中心代謝和副產(chǎn)物形成途徑，實現(xiàn)維生素B5前體合成 http://www.u1s5d6.cn/newsview1470122.html