代谢工程与膜工程协同优化：大肠杆菌高效合成靛蓝啶(Indigoidine)的路径设计与发酵强化

本文通过系统性代谢工程策略，在大肠杆菌中构建靛蓝啶高效合成体系。研究筛选最优非核糖体肽合成酶（NRPS）与磷酸泛酰巯基乙胺基转移酶（PPTase）组合，解析限速步骤并强化前体供应，结合膜工程提升疏水性产物积累，最终通过发酵优化使摇瓶和分批补料发酵产量分别达4.95 g/L和26.71 g/L，为微生物合成蓝色色素提供了创新性技术路径。

　　

Highlight

菌株与质粒

本研究涉及的所有重组菌株与质粒信息详见补充材料，所用引物列表亦列于补充材料中。大肠杆菌JM109用于质粒构建，而大肠杆菌BL21(DE3)作为靛蓝啶生产的初始宿主菌株。经密码子优化的靛蓝啶合成酶基因与PPTase基因由Azenta GENEWIZ公司（中国苏州）合成，所有基因均插入pTac载体中。

不同来源靛蓝啶合成酶与PPTase对靛蓝啶生物合成的影响

为实现靛蓝啶全合成路径的最优产量，研究团队构建了多种大肠杆菌BL21(DE3)菌株，以评估不同酶源组合（包括靛蓝啶合成酶与PPTase）的效果。依托大肠杆菌固有的三羧酸循环（TCA cycle）途径，靛蓝啶的两种前体——谷氨酸（Glu）和谷氨酰胺（Gln）可由α-酮戊二酸（α-KG）转化而来（Lv等，2021）。因此，大肠杆菌可内源合成谷氨酰胺，仅需引入外源NRPS和PPTase即可启动靛蓝啶生物合成。

结论

综上所述，本研究通过代谢工程路径优化与膜工程技术，成功构建了一株高产靛蓝啶的大肠杆菌BL21(DE3)菌株。核心策略包括：关键酶筛选、限速步骤鉴定、路径基因优化、脂膜合成相关基因过表达以及发酵参数精细调控。最终工程菌在250 mL摇瓶中高效合成4.95 g/L靛蓝啶，并于5 L生物反应器分批补料发酵中产量进一步提升至26.71 g/L，为微生物色素工业化生产提供了可靠解决方案。