工业真菌Ashbya gossypii实现微生物全合成神经节苷脂GM3/GD3的突破性研究

本研究通过模块化代谢工程策略，在工业丝状真菌Ashbya gossypii中首次实现神经节苷脂GM3/GD3的完整微生物合成。研究人员重构了包括CMP-NANA合成、LacCer生成及唾液酸化修饰在内的多酶级联通路，结合酵母Leloir途径优化半乳糖代谢，最终获得毫克级产量的功能性神经节苷脂。该成果为建立规模化、无动物源的神经节苷脂生产平台奠定基础，对神经退行性疾病治疗和肿瘤免疫研究具有重要意义。

　　

神经节苷脂(Gangliosides)作为含有唾液酸(N-acetylneuraminic acid, NANA)的糖鞘脂(glycosphingolipids)，在神经发育和细胞信号传导中发挥关键作用。这类分子不仅是神经组织细胞膜的重要组分，更被发现与肿瘤抗原性和神经退行性疾病密切相关。然而传统从动物组织提取的方法面临伦理争议、原料限制和纯化复杂等瓶颈，化学酶法合成又存在成本高、步骤繁琐的缺陷。面对这些挑战，Javier F. Montero-Bullón团队在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》发表的研究中，开创性地利用工业丝状真菌实现了神经节苷脂的微生物全合成。

研究采用模块化代谢工程技术，在Ashbya gossypii中逐步引入四个功能模块：1）人类唾液酸激活模块（hGNE/hNANS/hCMAS）；2）酵母Leloir途径模块（ScGAL1/2/7）；3）人类半乳糖基转移模块（hGALE/hβ4GalT6）；4）唾液酸转移酶模块（hST3Gal5/hST8Sia1）。通过UPLC-MS/MS对代谢物进行定量分析，结合HRAMS质谱进行结构验证。

Production of CMP-NANA precursor

工程化菌株成功将内源UDP-GlcNAc转化为CMP-NANA，其浓度达600 μg/g细胞干重。质谱分析显示NANA与CMP-NANA保持1:2的稳定比例，为后续合成提供充足前体。

Production of LacCer from endogenous GlcCer

通过引入人类hβ4GalT6和酵母Leloir途径，工程菌实现从内源GlcCer到LacCer的转化。半乳糖补充使GM3产量提升，但GD3产量仍较低，提示第二步唾液酸化可能是限速步骤。

Production of monosalo- and disialo-gangliosides

最终工程菌株产生约200 μg/g CDW的GM3和GD3，质谱碎片谱证实其结构与哺乳动物源神经节苷脂一致。值得注意的是，菌株保持与野生型相当的生物量（5.8±1.0 g/L），表明代谢改造未显著影响宿主生理。

讨论部分指出，虽然当前产量（毫克/升级）距工业化尚有距离，但该研究首次证明微生物全合成神经节苷脂的可行性。通过优化唾液酸供应（如增加hCMAS拷贝数）、改造鞘氨醇碱基组成（如敲除SLD1/SUR4基因）及开发低成本培养基（如利用废食用油），该平台有望成为传统生产方法的革命性替代方案。特别值得关注的是，Ashbya gossypii天然的丝状形态有利于下游分离，其成熟的工业发酵经验（如核黄素生产）为规模化提供坚实基础。

这项研究不仅为神经节苷脂相关疗法开发提供可持续来源，更开创了微生物合成复杂糖脂化合物的新范式。未来通过引入更多糖基转移酶，该平台可扩展至GM1等治疗相关神经节苷脂的生产，在神经退行性疾病、癌症免疫治疗等领域展现广阔前景。