综述：肝素关键前体 heparosan 生物合成的研究进展

这篇综述系统阐述了微生物合成肝素前体（heparosan）的最新进展，通过代谢工程优化UDP-GlcA和UDP-GlcNAc合成通路，构建非病原性工程菌（如E. coli Nissle 1917），为解决动物源肝素（heparin）的供应短缺、批次差异和安全隐患提供了创新方案。

　　

Conversion of heparosan to heparin

在哺乳动物中，肝素生物合成主要发生于结缔组织肥大细胞（CTMCs），以前体蛋白聚糖形式存在。核心蛋白serglycin在内质网合成后，经高尔基体逐步修饰：首先由XYLT催化启动糖链延伸，随后通过EXT1/EXT2复合物将heparosan链聚合，最终经NSST等磺基转移酶引入硫酸基团，形成具有抗凝活性的肝素。

Biosynthetic pathway of heparosan

天然产heparosan微生物（如E. coli K5）采用保守的双分支通路：葡萄糖经glmS途径生成UDP-GlcNAc，同时通过glmM/glmU途径转化为UDP-GlcA。关键限速酶包括磷酸葡萄糖变位酶（pgm）和UDP-葡萄糖脱氢酶（tuaD），其活性直接影响heparosan链的聚合度。

Engineering natural heparosan producers

通过CRISPR-Cas9技术敲除竞争途径（如纤维素合成基因wcaJ），可使E. coli K5的heparosan产量提升3.2倍。发酵参数优化显示，控制pH 7.2、溶解氧30%时，多糖分子量分布最接近药用标准。

Construction of non-native hosts

在非致病性宿主中，Bacillus subtilis因缺乏内源性多糖合成酶而成为理想平台。引入异源基因簇kfiA/kfiC后，工程菌株的胞外多糖分泌量达8.7 g/L，且不含内毒素。

Metabolic engineering strategies

动态调控系统（如T7启动子）可平衡前体供应：过表达pgm使UDP-GlcA增加4倍，而glmS*突变体（A309G）使UDP-GlcNAc积累量提高180%。模块化改造糖核苷酸合成模块，结合发酵补料策略，目前最高产量已达25.3 g/L。

Conclusion

微生物合成heparosan技术已实现从毫克级到公斤级的突破，其衍生的生物工程肝素具有更稳定的抗Xa因子活性（98.7±1.2 IU/mg）。未来需解决的主要挑战包括：提高3-O-磺化效率、降低生产成本，以及建立符合FDA标准的纯化工艺。