综述：通过优化大肠杆菌生物合成途径增强吲哚-3-乙酸生产的多元代谢工程

本综述系统阐述了大肠杆菌作为微生物细胞工厂生产植物生长素吲哚-3-乙酸（IAA）的代谢工程策略。通过强化莽草酸途径基因表达、优化中心碳代谢（PP和EMP途径）提升前体E4P/PEP供应，改善辅因子NAD(P)H/ATP再生及FMN/FAD保存，协同L-色氨酸转运调控，实现IAA高效生物合成。文章前瞻性提出机器学习辅助通路设计、基因组尺度建模等创新方法，为绿色农业提供可持续解决方案。

　　

背景
作为植物中最主要的生长素，吲哚-3-乙酸（IAA）通过与其它植物激素协同作用调控生长发育。除植物自身合成外，多种植物共生微生物（包括有益内生菌和致病菌）均能产生IAA。这种小分子化合物通过促进细胞分裂和伸长直接影响根系发育、叶片展开等关键生理过程。

集成策略优化IAA生物合成
L-色氨酸作为IAA生物合成的关键前体，其供应水平直接影响终产物产量。工程化策略聚焦三个维度：

1. 前体供应：过表达莽草酸途径基因（aroG^fbr、trpE^fbr）解除反馈抑制，改造磷酸戊糖（PP）和糖酵解途径（EMP）平衡E4P/PEP比例；
2. 辅因子工程：引入NAD⁺激酶提升NADPH供应，优化FMN依赖型IpdC酶稳定性；
3. 转运调控：过表达色氨酸转运蛋白Mtr同时敲除外排泵基因tdcC，使胞内L-色氨酸浓度提升3.2倍。

可再生底物与微生物共培养
利用木质纤维素水解液等可再生碳源时，需协调纤维素酶表达与IAA合成途径的碳流分配。模块化共培养体系将代谢负担分散：

• 大肠杆菌工程株负责合成L-色氨酸
• 恶臭假单胞菌专攻色氨酸转氨反应
  该策略使IAA滴度达到4.8 g/L，较单菌系统提升217%。

挑战与展望
当前体系存在产物抑制（IAA>5 g/L抑制细胞生长）、辅因子不平衡等问题。未来可通过：

• 机器学习预测最优酶组合
• 基因组尺度模型识别代谢瓶颈
• CRISPRi动态调控竞争途径
  实现产量突破。该技术路线为替代石油基IAA生产提供了绿色生物制造范本。