基于启动子工程与贝叶斯优化的谷氨酸棒杆菌L-丝氨酸高效发酵生产

为解决L-丝氨酸（L-serine）在医药、食品和化妆品行业的高需求问题，研究人员通过启动子工程改造谷氨酸棒杆菌（C. glutamicum）A36菌株，系统调控关键酶基因serA、serC和serB的转录水平。采用两步法策略：先单独替换启动子获得9株重组菌（最优株A36-serAdap?e11产量提升17.21%至35.83 g/L），再组合替换serC/serB启动子获得19株菌，最终菌株ACB（三基因启动子均替换为dap-e11）产量达40.79 g/L。经贝叶斯优化后产量进一步提升至46.42 g/L，5 L发酵罐中达62.23 g/L，创谷氨酸棒杆菌发酵生产L-丝氨酸的最高纪录。

　　

L-丝氨酸（L-serine）作为医药、食品和化妆品领域的高附加值化合物，其高效生产备受关注。谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）因其卓越的氨基酸发酵能力成为理想宿主。本研究以产31.1 g/L L-丝氨酸的A36菌株为出发菌株，通过精准调控L-丝氨酸合成途径关键酶基因——磷酸甘油酸脱氢酶（serA）、磷酸丝氨酸氨基转移酶（serC）和磷酸丝氨酸磷酸酶（serB）的转录水平，实现产量突破。

研究首先量化了天然启动子强度：P-serA:P-serC:P-serB=101.70:1:7.69，并对比四种已知启动子（Pkan、dap-e、A16-1和dap-e11），发现强度排序为P-serC<><><><><><>^dap?e11产量达35.83 g/L；第二阶段在A36-serA^dap?e11基础上组合替换serC/serB启动子，获得19株菌中，三基因均采用dap-e11启动子的ACB菌株产量飙升至40.79 g/L。

通过贝叶斯优化（Bayesian optimization）进一步调整发酵参数，ACB菌株产量提升13.80%至46.42 g/L。放大至5 L发酵罐时，L-丝氨酸产量突破62.23 g/L，刷新了谷氨酸棒杆菌发酵生产该氨基酸的全球纪录。这项研究不仅为L-丝氨酸工业化生产提供了高效菌株，更为微生物代谢工程的精准调控提供了创新范式。