基于红藻糖类的谷氨酸棒杆菌生物加工技术：半乳糖和木糖代谢工程及高值化合物生产

为解决传统糖基原料与粮食安全冲突及化石资源依赖问题，研究人员通过代谢工程改造谷氨酸棒杆菌(C. glutamicum)，引入大肠杆菌(E. coli)的galETKM-galP操纵子和木糖代谢基因xylAB，成功实现红藻水解物中半乳糖/木糖的高效利用，并耦合生产赖氨酸(4.2 g/L)和核黄素(572 mg/L)，为海洋生物质资源开发提供新范式。

　　

随着全球人口增长与资源短缺矛盾加剧，开发非粮生物质资源成为生物制造领域的迫切需求。红藻作为富含半乳糖聚合物的海洋生物质，具有不占用耕地、生长速度快等优势，但其主要糖类成分半乳糖和木糖无法被工业常用菌株谷氨酸棒杆菌天然利用。如何突破这一代谢限制，建立红藻基生物炼制技术，成为实现可持续生产的关键科学问题。

挪威科技大学(Norwegian University of Science and Technology)的研究团队在《Bioresource Technology Reports》发表创新性研究，通过系统改造谷氨酸棒杆菌的糖类代谢网络，首次实现了红藻水解物的全糖利用与高值化合物联产。研究采用合成生物学策略，将大肠杆菌的Leloir途径基因galETKM与半乳糖通透酶基因galP构建合成操纵子，通过翻译起始速率优化使半乳糖利用率提升114%；同时鉴定出内源性半乳糖转运系统PtsG/PtsF/IolT2；结合木糖异构酶途径(xylAB)实现三糖共利用。在5L发酵罐中，工程菌株利用红藻水解物生产赖氨酸和核黄素的产量分别达8.6 g/L和896 mg/L。

关键技术包括：1）采用Gibson Assembly构建多基因表达系统；2）通过RBS工程调控galP表达强度；3）利用HPLC分析糖类及代谢产物；4）2L搅拌式生物反应器进行两阶段培养；5）以挪威Alginor ASA提供的掌状红藻(Palmaria palmata)为原料制备水解物。

工程菌株构建与表征

通过比较不同RBS序列的galP表达效果，发现TG变体使菌株在1%半乳糖中的比生长速率达0.30±0.01 1/h。意外发现野生型菌株可通过内源PTS系统摄取半乳糖，经基因回补实验证实PtsG是主要转运体，Km值较GalP低两个数量级。

红藻水解物利用优化

75%水解物(含14.1 g/L半乳糖+6.7 g/L木糖+4.4 g/L葡萄糖)培养时，添加0.01%肌醇可诱导iolT2表达，使三糖共利用菌株的生物量产量提升1.3倍。抑制物分析显示水解液中糠醛(0.3 g/L)和HMF(1.7 g/L)低于毒性阈值。

生物炼制应用验证

在2L生物反应器中，赖氨酸生产菌CgRedLys实现0.35 g/g的碳转化率，与文献报道的褐藻基工艺相当；核黄素生产菌CgRedRibo表现出特殊的木糖偏好性，其核黄素产量较葡萄糖条件提高30%，可能与PPP途径通量增强有关。

该研究首次解析了谷氨酸棒杆菌的半乳糖转运机制，建立的"红藻水解-三糖共利用-产品联产"技术路线，为开发不依赖耕地资源的第三代生物炼制工艺提供了理论依据和工程范例。特别值得注意的是，红藻水解物中的未知生长因子使赖氨酸产量较纯糖体系提高75%，暗示海洋生物质可能含有特殊营养组分。未来通过转运系统改造（如引入xylE）和途径动态调控，有望进一步提升红藻基生物制造的经济性。研究结果对实现联合国SDG12（负责任消费与生产）目标具有积极意义。