基于玉米芯残渣为碳源的重组谷氨酸棒杆菌全细胞催化高效合成尸胺研究

为解决传统尸胺（cadaverine）生产中依赖食品级糖源及E. coli抑制剂敏感性问题，研究人员利用玉米芯残渣水解物为碳源，构建了分泌表达赖氨酸脱羧酶（lysine decarboxylase）并敲除降解途径的重组谷氨酸棒杆菌（C. glutamicum）。该全细胞催化体系实现尸胺产量78.19 g/L（转化率91%），为生物基聚酰胺单体生产提供了低成本非粮原料解决方案。

　　

论文解读

在追求可持续发展的今天，生物基材料正逐渐替代石油基产品。尸胺（cadaverine）作为一种重要的二胺化合物，能与二羧酸共聚形成生物基聚酰胺（如尼龙-5X），但其工业化生产长期面临两大瓶颈：一是依赖食品级糖源（如葡萄糖）作为底物，二是常用宿主大肠杆菌（E. coli）对木质纤维素水解物中的抑制剂（如酚类、糠醛）极度敏感。这些抑制剂会破坏细胞膜完整性、降低胞内pH值，导致菌体生长受阻。更棘手的是，即使经过脱毒处理，玉米芯等农业残渣水解液中残留的微量酚类物质（如愈创木酚、对香豆酸）仍会显著抑制E. coli的代谢活性。

针对这一难题，来自中国的研究团队另辟蹊径，选择了天然耐受抑制剂且具备赖氨酸生产能力的工业菌株——谷氨酸棒杆菌（C. glutamicum）作为宿主。通过分泌表达新型赖氨酸脱羧酶（Ncgl1289/cgR_0949）并敲除N-乙酰尸胺降解途径，构建出高效全细胞催化剂。研究首次以玉米芯残渣（纤维素含量82%）为碳源，该原料是中国玉米加工产业（年产量超百万吨）生产木糖醇的副产物，无需额外预处理即可直接利用。

研究团队采用三项关键技术：1）比较宿主筛选（评估E. coli BL21与C. glutamicum LJ01在玉米芯水解液中的生长曲线OD₆₀₀）；2）代谢工程改造（分泌表达赖氨酸脱羧酶CadA并敲除降解基因）；3）全细胞催化工艺优化（以水解液培养重组菌后直接转化外源赖氨酸）。

研究结果
宿主评估：C. glutamicum LJ01在玉米芯水解液中24小时OD₆₀₀达15，而E. coli BL21仅4.5，证实前者对酚类抑制剂的显著耐受优势。
酶表达优化：通过信号肽改造实现赖氨酸脱羧酶分泌表达，避免胞内积累导致的反馈抑制。
途径阻断：敲除N-乙酰转移酶基因后，尸胺损失减少23%。
催化性能：最终重组菌LJ02-pXMJ19-NcglCadA在5 L发酵罐中实现78.19 g/L尸胺产量，摩尔转化率91%，创木质纤维素基尸胺生产最高记录。

结论与意义
该研究首次将C. glutamicum应用于尸胺全细胞催化，突破性地利用玉米芯残渣这一非粮原料，其意义在于：1）成本降低（原料价格仅为食品级糖的1/3）；2）工艺简化（省去脱毒步骤）；3）为生物基聚酰胺产业化提供可持续原料方案。论文发表于《Biochemical Engineering Journal》，为木质纤维素生物精炼与高值化学品生产的耦合提供了范本。作者Xu Ying-Ying等特别指出，该策略可扩展至其他抑制剂敏感产物的生物制造，推动农业废弃物在绿色化学中的应用。