综述：大肠杆菌中高价值色氨酸衍生物的生物合成：最新进展与展望

《Biotechnology Advances》：Biosynthesis of high-value chorismate derivatives in Escherichia coli: Recent advances and perspectives

chorismate衍生物合成代谢工程与合成生物学策略研究进展，系统总结了大肠杆菌中沙里马特途径的代谢调控机制、工程优化策略及合成生物学创新方法，重点分析了提高对羟基苯甲酸、β-熊果苷等高附加值化合物产率的技术瓶颈与解决方案，探讨了工业化生产的挑战与前景。

　　近年来，随着全球对可持续资源和环境保护的关注日益增加，生物制造在高价值化学品生产领域展现出巨大的潜力。特别是在合成生物学和系统代谢工程的推动下，微生物细胞工厂逐渐成为一种高效、绿色的生产平台。其中，芳香族化合物的前体——色氨酸（chorismate）在多个工业领域中扮演着重要角色，包括药物、化妆品和特种化学品中间体。因此，如何高效地合成色氨酸及其衍生物成为当前生物技术研究的热点之一。本文将系统梳理色氨酸衍生物的生物合成路径、其在工业中的应用价值，以及利用基因工程改造大肠杆菌（*Escherichia coli*）来实现高效生产的技术策略，同时分析当前面临的挑战与未来发展方向。

色氨酸是芳香族氨基酸生物合成中的关键分支点，其合成路径起始于莽草酸（shikimate）途径。在大肠杆菌中，色氨酸的合成依赖于一系列酶促反应，这些反应不仅涉及莽草酸途径的代谢产物，还受到宿主细胞内复杂代谢调控网络的影响。色氨酸作为合成多种高价值化合物的前体，例如没食子酸、β-熊果酸、水杨酸、水杨苷、胃舒宁、对乙酰氨基酚、邻苯二酚、马来酸和儿茶酚等，这些化合物在医药、化妆品、材料科学等领域具有广泛应用。从市场数据来看，色氨酸衍生物的市场规模庞大，其中对乙酰氨基酚在2023年的市场价值高达11.43亿美元，水杨酸为5.21亿美元，没食子酸为2.45亿美元，儿茶酚为7.25亿美元。这表明，色氨酸及其衍生物不仅是科学研究的重要对象，也是具有巨大经济价值的工业产品。

然而，传统方法在生产色氨酸衍生物方面存在诸多限制。植物提取法虽然可以获取天然产物，但其过程复杂、产率低、纯度不足，难以满足大规模工业生产的需求。相比之下，化学合成法虽然可以实现较高产率，但其催化效率低、选择性差，且在后处理过程中会产生大量的环境污染。因此，开发一种绿色、高效的生物合成平台，成为替代传统方法的重要研究方向。微生物细胞工厂，特别是大肠杆菌，因其基因组注释完整、代谢网络明确、基因编辑工具先进，成为构建高效生产体系的首选宿主。此外，大肠杆菌的快速生长速率、短代时和适合高密度发酵的特性，使其成为工业生物制造的基准底盘，能够为规模化生产提供良好的经济基础。

在构建色氨酸衍生物的生物合成系统过程中，研究人员主要通过代谢工程和合成生物学策略进行优化。例如，通过改造葡萄糖摄取系统和代谢酶，提高前体和辅因子的供应效率，缓解反馈抑制，消除代谢干扰等。这些策略旨在增强宿主细胞对目标产物的生产能力，同时减少代谢负担和副产物积累。此外，动态调控目标产物的合成路径，应用基因调控技术，例如启动子工程、代谢通路设计和合成基因回路等，也成为提升生产效率的重要手段。这些技术不仅提高了色氨酸衍生物的产量，还优化了其生产过程的可控性和稳定性。

尽管在色氨酸衍生物的生物合成领域取得了显著进展，但仍然存在一些关键挑战。例如，宿主细胞内的代谢调控系统复杂且严格，可能会限制碳流向目标产物的分配。此外，天然代谢网络中存在多种竞争性通路，加上前体和辅因子的供应不足，会影响目标产物的积累。同时，宿主细胞的天然代谢与异源代谢通路之间可能会产生代谢干扰，降低目标产物的产率。最后，目标产物或其代谢中间体的大量积累可能会对细胞膜造成损害，影响细胞的正常生长。因此，如何克服这些障碍，实现高效的色氨酸衍生物生产，成为当前研究的重要课题。

针对上述挑战，研究人员提出了多种创新性的解决方案。例如，通过基因工程手段优化代谢通路，增强宿主细胞对目标产物的耐受能力。此外，利用合成生物学技术构建更精确的调控系统，使代谢过程更加高效和可控。例如，通过设计动态调控系统，使目标产物的合成与细胞生长状态相协调，从而减少代谢负担和副产物积累。同时，引入新型代谢途径，例如通过合成基因回路或调控代谢节点，提高目标产物的产率和纯度。这些策略的实施，不仅提高了色氨酸衍生物的生产效率，还为实现工业化生产奠定了基础。

在实际应用中，色氨酸衍生物的生产已经取得了一定的成果。例如，通过改造大肠杆菌的代谢网络，研究人员成功实现了对乙酰氨基酚、水杨酸、没食子酸等多种化合物的高效合成。这些成果不仅推动了相关产业的发展，也为未来的生物制造技术提供了新的思路。然而，为了进一步提升生产效率和产品质量，还需要对现有的技术进行持续优化。例如，通过引入更高效的酶，提高代谢通路的催化效率；通过优化基因表达水平，提高目标产物的合成速率；通过调控细胞生长条件，减少代谢副产物的积累。

此外，随着合成生物学技术的不断进步，研究人员也在探索新的方法来构建更高效的色氨酸衍生物生产系统。例如，利用CRISPR-Cas9等基因编辑工具，对宿主细胞的基因组进行精准改造，以增强其对目标产物的生产能力。同时，通过构建人工代谢通路，将色氨酸衍生物的合成路径与宿主细胞的代谢网络相结合，从而提高整体代谢效率。这些方法的实施，不仅提高了色氨酸衍生物的产量，还降低了生产成本，使生物制造更加具有经济可行性。

总之，色氨酸及其衍生物的生物合成已经成为当前生物技术研究的重要方向。通过代谢工程和合成生物学策略的不断优化，大肠杆菌作为微生物细胞工厂的优势得到了充分发挥。然而，要实现工业化生产，还需要解决一系列技术难题，包括代谢调控、竞争通路、代谢干扰和副产物积累等问题。未来，随着生物技术的进一步发展，色氨酸衍生物的生产有望实现更高的效率和更广泛的应用，为可持续发展和绿色制造提供有力支持。