大肠杆菌代谢工程高效生产N-乙酰神经氨酸（Neu5Ac）的系统优化策略及其对磷酸烯醇丙酮酸（PEP）前体利用的机制启示

本文系统探讨了大肠杆菌细胞工厂中磷酸烯醇丙酮酸（PEP）分布优化及乙酸积累调控策略。通过代谢工程改造乙酸合成途径、优化发酵温度与ATP供给，显著提升N-乙酰神经氨酸（Neu5Ac）产量（77.12 g/L）和产率（1.38 g/L/h），为PEP依赖型高附加值化合物的生物制造提供了关键技术路径。

　　

Highlight

以磷酸烯醇丙酮酸（PEP）为前体的目标产物合成过程中，碳流向乙酸的溢出是制约大肠杆菌细胞工厂效率的关键瓶颈。本研究通过多维度代谢重编程策略，成功实现了PEP在目标产物合成、碳源同化和中心碳代谢中的精准分配，同时显著抑制了乙酸积累。

Construction of the Neu5Ac synthesis pathway in a GlcNAc high-producing strain

在先前构建的N-乙酰葡萄糖胺（GlcNAc）高产菌株GLA基础上，引入了源自Anabaena sp. CH1的N-乙酰葡萄糖胺-2-差向异构酶（AGE）基因和脑膜炎奈瑟菌的N-乙酰神经氨酸合成酶（neuB）基因，并通过组合优化拷贝数建立了高效的Neu5Ac合成路径。值得注意的是，GlcNAc-6-P需经去磷酸化才能转化为GlcNAc，而Neu5Ac合成需以GlcNAc为直接前体，这一关键差异驱动了路径的重新设计。

The art of enriching PEP with balanced cellular metabolism

旨在富集PEP以合成目标产物的代谢工程易打破碳源摄取与中心碳代谢中PEP分布的平衡，引发上游糖酵解和下游TCA循环紊乱（Kedar et al., 2007），进而导致乙酸积累并抑制目标产物合成效率。中心碳代谢的复杂调控网络要求工程策略需兼顾PEP供给与代谢稳态的协同优化。

Conclusions

本研究以Neu5Ac为模型，展示了大肠杆菌中PEP源性目标产品的高效从头合成。基于GlcNAc高产菌株，通过合成路径优化和PEP再分配实现了产量突破。与动态调控相比，丙酮酸激酶的静态弱化更有效地平衡了PEP通量分配。代谢工程与发酵策略的结合为PEP前体化学生物合成提供了普适性解决方案。