编辑推荐：
这篇综述聚焦微生物生产糖酸的代谢工程，详细阐述了糖酸的分类、性质、应用，以及其在微生物中的运输、代谢途径，对比了化学催化和生物转化生产糖酸的方法，并列举多种微生物生产各类糖酸的研究成果，为相关领域提供全面参考。
引言
糖酸作为糖类的氧化产物，在多个行业有着广泛应用。传统化学合成糖酸存在诸多问题，而生物基生产方法具有利用可再生资源、降低碳排放等优势。微生物细胞工厂借助代谢工程手段，能够实现糖酸的高效可持续生产。本文将围绕微生物生产糖酸的相关内容展开详细阐述。
糖酸：分类、性质和应用
结构分类
糖酸是氧化单糖，主要分为醛糖酸、糖醛酸、醛糖二酸和酮糖酸四类。醛糖酸是醛糖的末端醛基（R - CHO）氧化为羧基（R - COOH）形成的；糖醛酸是离羰基最远的羟甲基（R - CH2OH）氧化为羧基；醛糖二酸则是醛基和末端羟甲基都被氧化，形成二羧酸；酮糖酸由酮糖的末端羟甲基氧化而成，在自然界较少见，本文不做讨论。
一般性质
糖酸与未氧化的碳水化合物在结构上有相似之处。氧化过程中，线性碳水化合物的几何形状不变。醛糖酸会形成内酯而非环状半缩醛，且由于端基碳已被氧化，失去还原能力；糖醛酸仍可环化形成环状半缩醛；醛糖二酸没有可用的羰基，部分可环化形成内酯，一些醛糖二酸（如半乳糖二酸）在氧化过程中可能获得新的对称面，从而失去旋光性。
应用
糖酸因其独特的结构和性质，在众多领域发挥着重要作用。在聚合过程中，其含有的羟基和羧基可用于制造生物可降解材料，如聚酰胺、聚酯和聚氨酯，这些材料在生物医学产品和食品包装方面有潜在应用。此外，糖酸在食品、化妆品和制药行业也具有重要价值。不同类型的糖酸，如醛糖酸及其衍生物可用作 pH 调节剂、保湿剂等；醛糖二酸被美国能源部认定为关键生物基化学品，可用于制造粘合剂、水凝胶交联剂等；糖醛酸在食品、制药和化妆品行业用作胶凝剂、稳定剂等。
细胞对 C5 和 C6 糖酸的运输和分解代谢
糖酸的转运蛋白
糖酸通过转运蛋白跨细胞膜进出细胞。在微生物细胞中，鉴定 C5 - C6 糖酸的特异性转运蛋白具有一定挑战性，但在一些模式微生物中已有所发现。例如，大肠杆菌中已鉴定出多种糖酸转运蛋白，包括 DgoT（D - 半乳糖酸）、ExuT（D - 半乳糖醛酸、D - 葡萄糖醛酸）等，这些转运蛋白主要属于主要促进超家族（MFS）或离子转运超家族（IT）。此外，还存在一些溶质结合蛋白（SBP）依赖的转运系统，如三方 ATP 非依赖周质（TRAP）转运体等。在真菌中，Jen 家族参与糖酸的跨膜运输，已对多种酵母的 Jen 家族转运蛋白进行了研究。
糖酸的分解代谢
为提高糖酸产量，了解其分解代谢途径至关重要。D - 木糖酸是某些细菌中 D - 木糖分解代谢途径的中间产物，可通过多条途径进一步代谢。己糖酸中，D - 葡萄糖酸和 D - 半乳糖酸可通过不同的途径代谢，如非磷酸化的 Entner - Doudoroff 途径、DeLey - Doudoroff 途径等。己糖醛酸在真菌和细菌中的分解代谢途径不同，细菌中常见的是 Ashwell 途径（异构酶途径）。己醛糖二酸如 D - 葡萄糖二酸和半乳糖二酸，在大肠杆菌中可作为唯一碳源被利用，通过特定的脱水酶和醛缩酶等进行代谢。
糖酸的化学和生物催化生产
化学催化合成糖酸
植物生物质中的多糖和木质纤维素可用于化学合成糖酸。以 D - 葡萄糖为原料生产 D - 葡萄糖酸和 D - 葡萄糖二酸是化学合成糖酸的研究重点。D - 葡萄糖的选择性有氧氧化制备 D - 葡萄糖酸通常基于贵金属催化剂，但存在催化剂浸出和 pH 控制等问题。将木质纤维素直接转化为 D - 葡萄糖酸仍面临挑战，需要双功能催化剂。氧化 D - 葡萄糖生成 D - 葡萄糖二酸难度较大，因为氧化初级羟基需要苛刻条件，易产生副产物。总体而言，化学催化生产糖酸在实现更高的碳效率、更快的体积生产率等方面还有待改进。
酶催化或全细胞生物转化的生物转化
酶催化具有优异的选择性，无细胞多酶催化可实现高转化率和反应效率，但催化剂制备和辅因子利用成本较高。多种糖酸可通过生物转化生产，如 D - 葡萄糖可转化为 D - 葡萄糖酸，还可通过特定的酶和细胞转化生产 D - 葡萄糖醛酸、D - 葡萄糖二酸等。
微生物生产 C5 和 C6 糖酸的代谢工程
C5 糖酸生产
D - 木糖酸的生产主要通过代谢工程改造细菌，利用 D - 木糖脱氢酶将 D - 木糖氧化为 D - 木糖酸。通过敲除相关分解代谢基因、表达 D - 木糖酸内酯酶等策略，可提高 D - 木糖酸的产量。如大肠杆菌 W3110 经过改造后，可从 D - 木糖高效生产 D - 木糖酸。此外，棒状杆菌和酵母等也可作为生产 D - 木糖酸的宿主。L - 阿拉伯糖酸的生产主要通过异源表达阿拉伯糖脱氢酶（AraDH），在酿酒酵母和大肠杆菌中均有相关研究成果。
C6 糖酸生产
D/L - 半乳糖酸的生产可通过对大肠杆菌、里氏木霉和黑曲霉等进行代谢工程改造实现。通过敲除相关代谢基因、表达特定的脱氢酶，可将 D - 半乳糖转化为 D - 半乳糖酸，或把 D - 半乳糖醛酸转化为 L - 半乳糖酸。半乳糖二酸的生产主要通过生物转化 D - 半乳糖醛酸，利用尿苷酸脱氢酶（Udh）进行催化。对大肠杆菌、里氏木霉和黑曲霉等微生物的研究，旨在提高半乳糖二酸的产量。D - 葡萄糖酸在野生型菌株中产量较高，一些微生物经过代谢工程改造，可进一步提高其产量。D - 葡萄糖醛酸可通过表达肌醇加氧酶（MIOX），以肌醇为原料进行生产。D - 葡萄糖二酸的生物合成可利用 D - 葡萄糖或肌醇为前体，通过表达特定的酶实现，但 MIOX 的低活性和稳定性是限制产量的关键因素。通过多种策略，如构建体内支架、蛋白质融合标签、筛选突变体等，可提高 D - 葡萄糖二酸的产量。
结论、挑战和未来展望
微生物生产糖酸有助于推动生物经济发展，实现环境可持续性。通过综合运用菌株工程、过程优化和可持续性评估等手段，微生物糖酸生产有望成为生物经济中具有竞争力和环保优势的选择。方法学的进步，如 CRISPR 技术，将加速菌株开发。然而，微生物生产糖酸仍面临诸多挑战，包括经济和监管方面的限制、下游处理的困难、关键酶的稳定性和活性问题、底物运输工程的难题以及毒性问题等。利用生物质水解物具有多种优势，但也存在一些挑战。总体而言，可持续的糖酸生产有望成为生物技术领域的成功案例。
