枯草芽孢杆菌代谢工程改造：基于“推-阻-拉-堵”策略提升血红素供给实现血红蛋白与肌球蛋白高效生产

为解决食品医药领域功能性血红蛋白(Hb)和肌球蛋白(Mb)规模化生产的瓶颈问题，研究人员通过代谢工程改造食品级枯草芽孢杆菌，创新性提出"推-阻-拉-堵"全局调控策略。通过解除5-氨基乙酰丙酸反馈抑制、优化尿卟啉原III合成酶(HemD)组装、选择粪卟啉依赖合成路径及阻断血红素消耗等关键步骤，使血红素供给提升221倍，最终实现大豆Hb(0.81 g L?1)、三叶草Hb(1.11 g L?1)等四种蛋白的高效表达，其产物在植物基人造肉着色增味方面展现卓越性能，为高价值血红素蛋白工业化生产奠定基础。

　　

血红蛋白(hemoglobin, Hb)和肌球蛋白(myoglobin, Mb)作为重要的血红素蛋白，在食品医药领域具有广泛应用前景。研究团队以食品级枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)为底盘细胞，通过精妙的代谢工程策略突破血红素供给限制：首先解除5-氨基乙酰丙酸(5-ALA)合成的反馈抑制，并削弱HemX对HemA的负调控；随后鉴定出尿卟啉原III合成酶(HemD)的核心作用，使其与HemC形成高效复合体以减少副产物生成；优选粪卟啉依赖路径作为下游优势通路，同时强化关键限速步骤；最终通过敲除原血红素IX法尼基转移酶阻断血红素消耗。

这种"推-阻-拉-堵"四位一体策略使血红素产量飙升221倍，工程菌株成功产出0.82 g L^?1三叶草Hb(C-Hb)和1.01 g L^?1猪Mb等蛋白，创下原核系统表达新纪录。特别值得注意的是，生物合成的C-Hb和牛Mb(B-Mb)在模拟肉制品中展现出惊艳的着色能力和风味增强效果，其发色强度达到天然标准的1.3倍，热处理后仍保持优异稳定性。该研究不仅建立了安全高效的微生物细胞工厂，更为血红素蛋白在食品工业、生物催化等领域的规模化应用提供了关键技术支撑。