微生物共生产D-甘露糖(D-mannose)和D-景天庚酮糖(D-sedoheptulose)的代谢工程策略及其在功能性糖开发中的应用

研究人员通过改造大肠杆菌(Escherichia coli)的磷酸化-去磷酸化通路，实现了D-甘露糖(低热量甜味剂)与D-景天庚酮糖(抑制C6糖代谢)的可调比例共生产。该研究解决了传统植物提取法不可持续、酶法转化效率低的问题，为功能性糖的工业化生产提供了新思路。

　　

在食品工业和健康领域，稀有糖因其独特的生理功能备受关注。D-甘露糖(D-mannose)作为低热量甜味剂(3.75 kcal g^-1)，目前主要依赖植物提取或化学异构化生产，存在效率低、成本高的问题；而七碳糖D-景天庚酮糖(D-sedoheptulose)虽在热带水果中微量存在，但其抑制C6糖代谢的特性尚未得到充分开发。传统酶法生产因热力学平衡限制(ΔG°≈+2.8 kJ mol^-1)，难以实现高效转化。

加州大学戴维斯分校(University of California, Davis)的Shota Atsumi团队在《TRENDS in Biotechnology》发表研究，通过改造大肠杆菌的天然代谢网络，构建了基于磷酸化-异构化-去磷酸化(ΔG°≈-27.5 kJ mol^-1)的双糖共生产系统。研究人员采用CRISPR-Cas9基因编辑、启动子工程(如用P_gadB替代P_LlacO1)和关键酶筛选(如HxpB磷酸酶)等技术，结合高细胞密度培养优化，实现了两种稀有糖的高效生物合成。

Intrinsic D-mannose production capability of E. coli

通过删除磷酸果糖激酶A(pfkA)和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(zwf)基因，使菌株AL4240的果糖-6-磷酸(F6P)池增加，首次发现大肠杆菌可利用内源途径从葡萄糖生产0.72 g l^-1 D-甘露糖。

Elucidating the D-mannose production pathway

基因敲除实验证实D-甘露糖合成依赖甘露糖-6-磷酸异构酶(ManA)，并通过筛选发现己糖磷酸酶B(HxpB)能有效去磷酸化M6P。删除竞争途径alsE(编码D-阿洛酮糖-6-磷酸差向异构酶)后，产量提升至3.12 g l^-1。

Increased D-glucose uptake enhances D-sedoheptulose production

过表达半乳糖透性酶(GalP)和葡萄糖激酶(Glk)意外促进D-景天庚酮糖积累(8.76 g l^-1)，揭示HxpB对景天庚酮糖-7-磷酸(S7P)的底物混杂性。

Improving D-sedoheptulose production

通过共表达转醛缩酶B(TalB)和HxpB，将D-景天庚酮糖产量提高至6.73 g l^-1。高密度培养时，替换为YigL磷酸酶的菌株实现20.14 g l^-1 D-甘露糖和29.23 g l^-1 D-景天庚酮糖共生产，总糖得率达52.1%。

该研究创新性地利用大肠杆菌的代谢可塑性，首次实现两种功能互补稀有糖的可控合成。D-甘露糖与D-景天庚酮糖组合既能降低食品热量，又能通过抑制C6糖代谢调节糖类吸收，为糖尿病膳食管理提供了新工具。技术成熟度(TRL)已达4级，但工业化仍需解决磷酸酶特异性改造(如YigL对S7P的选择性)和规模化发酵优化等挑战。这项工作为稀有糖的可持续生产提供了范式，拓展了合成生物学在功能性食品开发中的应用边界。