大肠杆菌BL21中异源组装优化ERG合成途径实现高效生产麦角硫因

本研究针对麦角硫因(ERG)工业化生产面临的产量低、成本高难题，通过在大肠杆菌BL21(DE3)中构建融合酶NcEgt1-1/CtEgtB与MsEgtE的杂合通路，结合刚性连接子EAAAK和关键酶突变，最终在5-L生物反应器中实现790 mg/L的ERG产量，为抗氧化剂规模化生产提供新策略。

　　

麦角硫因(Ergothioneine, ERG)这种被称为"长寿维生素"的天然抗氧化剂，自1909年从麦角菌中发现以来，因其卓越的抗炎、抗衰老和神经保护作用，在食品、医药和化妆品领域备受追捧。但自然界的ERG仅由少数微生物合成，传统提取法每公斤成本高达3万美元，化学合成又面临手性纯化难题。尽管已有研究尝试用大肠杆菌或酵母生产，但最高产量仅1.14 g/L且发酵周期长达10天，难以满足市场需求。

河北大学的研究团队另辟蹊径，将来自粗糙脉孢菌(N. crassa)的截短酶NcEgt1-1与嗜热绿酸菌(C. thermophilum)的CtEgtB进行融合，再联合耻垢分枝杆菌(M. smegmatis)的MsEgtE，在E. coli BL21(DE3)中构建了新型杂合通路。研究采用半理性设计改造关键酶活性，通过刚性连接子EAAAK优化酶间距，结合前体供应强化策略，最终使ERG产量提升9倍。

关键技术包括：1) 采用融合酶技术构建NcEgt1-1-linker-CtEgtB嵌合体；2) 使用EAAAK刚性连接子优化酶间协同；3) 对CtEgtB进行迭代饱和突变；4) 5-L生物反应器分批补料工艺优化。

【Construction of the ERG-Producing Strain】
研究人员首先比较了细菌和真菌两条ERG合成途径的差异，发现真菌途径因绕过γ-谷氨酰半胱氨酸(γ-GC)合成步骤而更高效。通过将NcEgt1-1的甲基转移酶结构域与CtEgtB的氧化酶结构域融合，并采用EAAAK刚性连接子，使摇瓶产量从87.02 mg/L提升至144 mg/L。

【Conclusion】
最终获得的突变株M3-02在生物反应器中实现790 mg/L的ERG产量，生产率达14.9 mg/L/h。该研究首次证实：1) 刚性连接子比柔性连接子更利于多酶协同；2) NcEgt1-1的G127D突变可增强底物结合；3) 杂合途径消除了谷胱甘肽(GSH)合成的竞争性消耗。

这项发表于《Journal of Biotechnology》的研究，不仅创下当时大肠杆菌生产ERG的最高纪录，更开创了"细菌-真菌杂合途径"的新范式。通过精确控制酶间距和关键残基改造，为其他高值天然产物的微生物合成提供了普适性策略。值得注意的是，研究中发现的EAAAK连接子效应，已被后续研究广泛应用于其他多酶体系。