基因组工程改造谷氨酸棒杆菌通过增强琥珀酰-CoA供应实现稳定高效5-氨基乙酰丙酸生产

本研究针对微生物合成5-氨基乙酰丙酸(5-ALA)中存在的质粒系统不稳定性和琥珀酰-CoA(Succinyl-CoA)调控不足两大瓶颈，通过基因组整合多拷贝hemAC132A 基因，结合TCA循环氧化支路基因icd/lpd的RBS工程优化及CoA生物合成途径强化，构建了遗传稳定的高产菌株，最终使5-ALA产量提升至6.38±0.16 g/L，为琥珀酰-CoA衍生化合物的生产提供了新策略。

　　

在生物医药和工业领域，5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）作为血红素、叶绿素等四吡咯衍生物的关键前体，市场需求正以每年7.29%的速度增长。然而传统质粒表达系统存在遗传不稳定性和抗生素依赖问题，且琥珀酰-CoA（Succinyl-CoA）供应的精细调控尚未解决，严重制约了微生物细胞工厂的生产效率。针对这些挑战，中国研究人员在《Synthetic and Systems Biotechnology》发表的最新研究，通过多维度代谢工程策略实现了突破。

研究团队采用基因组整合技术替代质粒系统，通过RBS（核糖体结合位点）工程优化基因表达强度，并结合关键代谢节点的系统调控。主要技术包括：1）多拷贝整合抗反馈抑制的hemA^C132A
突变基因；2）组合筛选TCA循环氧化支路基因icd/lpd的最佳表达强度；3）强化辅酶A（CoA）生物合成途径的coaA、panB-panC和panD基因。

【研究结果】
3.1 基因组稳定底盘构建
通过逐步整合1-5拷贝hemA^C132A
基因，发现四拷贝菌株A4产量达2.94±0.07 g/L，较单拷贝提升2.96倍。外源添加13.5 g/L甘氨酸使产量进一步提高至3.41±0.21 g/L，证实琥珀酰-CoA成为新的限速因素。

3.2 TCA循环基因表达优化
质粒过表达筛选显示icd和lpd分别使5-ALA产量提升44.86%和43.19%。通过设计9种RBS组合，发现P69-RBS(L)-icd-RBS(L)-lpd配置的菌株A21产量达7.12±0.38 g/L，较基础菌株提升108.80%。

3.3 CoA供应强化
过表达限速酶基因coaA使产量提升29.86%，而panD（编码β-丙氨酸脱羧酶）的基因组整合使最终菌株A34产量达6.38±0.16 g/L，较初始菌株提升8.63倍，创下谷氨酸棒杆菌摇瓶发酵的产量新高。

该研究创新性地将基因组稳定性与代谢流精准调控相结合，不仅解决了质粒系统的应用瓶颈，更通过"TCA循环优化-CoA供应平衡"的双轨策略，为琥珀酰-CoA依赖型化合物的生产建立了普适性框架。值得注意的是，研究发现coaA与panD的协同表达未产生叠加效应，揭示CoA代谢网络存在复杂调控关系，这为后续研究指明了方向。研究成果对实现5-ALA的工业化生产具有重要实践意义，其方法论也可拓展至其他高值化合物的微生物合成。