综述：嘌呤核苷酸、核苷及碱基的微生物合成研究进展与展望

（编辑推荐）本综述系统阐释了微生物合成嘌呤化合物（核苷酸/NTs、核苷、碱基）的最新进展，通过系统代谢工程（systems metabolic engineering）整合多组学、代谢通量分析（MFA）、基因组尺度模型（GEMs）等策略，突破代谢网络复杂性与生长-生产平衡瓶颈，为食品添加剂和医药中间体绿色制造提供新思路。

　　

ABSTRACT

嘌呤核苷酸（purine nucleotides）作为生命体的核心生物分子，在遗传信息传递、能量代谢（如ATP/GTP）、辅因子合成及细胞通讯中发挥关键作用。近年来，嘌呤衍生物（包括核苷酸、核苷及碱基）在食品添加剂和医药中间体领域的应用价值显著提升。尽管微生物合成具有环境友好特性，但其效率受限于复杂的代谢网络和生长-生产权衡（growth-production tradeoffs）。系统代谢工程（systems metabolic engineering）通过多维度优化策略，正在重塑微生物嘌呤生物合成的技术格局。

代谢网络与调控机制

嘌呤生物合成途径（purine biosynthetic pathway）包含10步酶促反应，起始底物5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）经多级修饰最终生成IMP，进而分化为AMP/GMP。工业微生物（如大肠杆菌E. coli、枯草芽孢杆菌B. subtilis）中该途径受三重调控：

1. 1.

   反馈抑制：终产物AMP/GTP通过变构效应抑制PRPP氨基转移酶（PurF）

2. 2.

   转录调控：PurR阻遏蛋白在枯草芽孢杆菌中调控pur操纵子表达

3. 3.

   代谢流再分配：节点代谢物（如IMP）分流至组氨酸或色氨酸合成途径

系统代谢工程策略

多组学整合：转录组与代谢组联用揭示枯草芽孢杆菌嘌呤超产菌株中purD（甘氨酰胺核苷酸合成酶）表达量提升3.2倍

动态调控系统：基于QUORUM感应的逻辑门控制pur操纵子表达，使大肠杆菌GMP产量提高47%

高通量筛选：微流控芯片耦合荧光报告基因（GFP标记PurR结合位点）实现每小时10⁴菌株通量筛选

挑战与展望

当前瓶颈包括：

• •

  PRPP供应不足（碳流被糖酵解途径竞争）

• •

  膜转运蛋白对核苷酸分泌效率的限制

  未来可通过合成生物学工具（如CRISPRi动态调控糖酵解基因pfkA）和非天然途径设计（引入古菌嘌呤补救合成途径）实现突破。

Conflicts of Interest

作者声明无利益冲突。