利用代谢工程与动态调控策略高效生物合成假尿苷（Ψ）的大肠杆菌重组菌株开发及其产业化应用

本研究发现通过代谢工程（如优化ΨMP糖苷酶EcPsuG和磷酸酶EcYjjG的共表达）、动态调控（采用生长阶段依赖性启动子PfliC调控pgi基因）及细胞膜工程改造，成功构建了高效合成假尿苷（Ψ）的大肠杆菌菌株Tran-F2。该菌株在补料发酵中产量达29.5 g/L，生产效率为0.670 g/(L·h)，尿嘧啶摩尔转化率高达90.4%，为Ψ的工业化生产提供了低成本、高效益的生物合成策略。

　　

Highlight

近期研究进展表明，假尿苷（Ψ）的生物合成主要依赖四种不同的代谢途径（图2a）。底物系统可分为以下四类：（i）R5P和尿嘧啶，（ii）葡萄糖，（iii）葡萄糖和尿嘧啶，以及（iv）尿苷。其中，双底物催化系统（即葡萄糖和尿嘧啶）在催化效率、工业适用性和成本效益方面展现出显著优势。

Screening and optimization of Ψ multi-enzyme cascade biosynthetic pathways

当前，Ψ的生物合成主要通过多酶级联反应实现。我们通过系统筛选和优化关键酶组合，发现来自大肠杆菌的ΨMP糖苷酶（EcPsuG）和磷酸酶（EcYjjG）共表达时效果最佳，初步构建的菌株Tran-B4的Ψ产量达到1.09±0.035 g/L。

Enhancement of R5P supply by dynamic regulation

为提高前体核糖-5-磷酸（R5P）的供应，我们通过过表达PP途径中的限速酶，并采用生长阶段依赖性启动子P_fliC动态调控pgi基因表达，有效平衡了细胞生长与产物合成间的代谢冲突。优化后的菌株Tran-D4的Ψ产量提高至2.35±0.085 g/L。

Modification of transmembrane transport and competitive pathways

最后，通过对细胞膜转运系统及竞争性代谢途径进行理性改造，进一步提高了Ψ的积累。最终菌株Tran-F2在摇瓶发酵中Ψ产量达到2.81±0.098 g/L，并在5 L生物反应器补料培养中实现29.5 g/L的高产量，生产效率达0.670 g/(L·h)，尿嘧啶摩尔转化率为90.4%。

Conclusions

综上所述，本研究通过系统代谢工程与动态调控策略，成功构建了高产Ψ的重组大肠杆菌菌株Tran-F2。该菌株在5 L生物反应器中表现出卓越的发酵性能，Ψ产量达29.5 g/L，生产效率为0.670 g/L/h，尿嘧啶摩尔转化率高达90.4%。本研究不仅解决了细胞生长与产物合成之间的代谢权衡问题，也为实现高效细胞生长和最大化产物产量提供了新策略。