《Metabolic Engineering》：Metabolic engineering of microbial pathways for 5-aminolevulinic acid biosynthesis: Recent advances and biotechnological applications
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本文综述了5-氨基卟啉酸（5-ALA）的生物合成进展，探讨其在农业（增产、抗逆）、医药（光动力疗法）及生物材料领域的应用，分析代谢工程、宿主优化及合成生物学策略提升产率，并讨论产业化挑战与未来方向。
沙希德·马哈茂德（Shahid Mahmood）|阿卜杜拉·阿尔萨兰（Abdullah Arsalan）|穆罕默德·肖艾布（Muhammad Shoaib）|杨胜利（Shengli Yang）
浙江工业大学药学学院，中国杭州，310014
摘要
5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）是四吡咯化合物（如血红素、叶绿素和维生素B12）生物生产中的关键前体。它在农业、医学、化妆品和动物饲料工业中的广泛应用引起了广泛关注。在农业领域，5-ALA作为一种有效的植物生长调节剂，可以提高作物产量、抗逆性和产品质量。然而，传统的化学合成方法存在反应路径复杂、生产效率低以及环境问题等挑战，这促使人们越来越关注可持续的微生物生产方式。代谢工程和合成生物学的最新发展为5-ALA的微生物生产提供了有力支持。主要方法包括优化前体供应和辅因子再生、改造天然C4和C5生物合成途径、分类并优化限速酶、改造5-ALA分泌的运输系统、减少竞争性途径以及降低副产物生成。此外，基于生物传感器的调控和系统级代谢控制显著提升了生产的稳定性和产量。这些技术革新加速了5-ALA从实验室到工业应用的转化。本文综述了细菌生产5-ALA的最新进展，重点介绍了宿主选择、途径工程策略、调控机制以及不断发展的生物技术应用，并讨论了当前面临的挑战和未来发展方向，以指导下一代高效可持续5-ALA合成微生物平台的发展。
引言
5-ALA是一种非蛋白质来源的氨基酸，在四吡咯生物合成途径中起着核心作用（Jiang等人，2022年）。通过一系列酶促转化，5-ALA可生成多种结构和功能各异的四吡咯化合物，包括血红素、叶绿素和维生素B12（Chen等人，2025年）。这些化合物在氧气运输、光合作用和酶催化等生命过程中至关重要，凸显了5-ALA在生物系统中的关键地位（Chen等人，2025年）。除了生理功能外，5-ALA还作为一种高价值化合物在多个领域得到广泛应用。在农业中，外源施用5-ALA可提高光合作用效率、增强作物对盐分和干旱等非生物胁迫的耐受性，并提升整体产量和质量（Arooj等人，2025年；Tan等人，2022年）。在医药领域，5-ALA被用于诊断和治疗，特别是在光动力疗法（PDT）和光动力诊断（PDD）中。在这些应用中，5-ALA作为原卟啉IX的前体，后者在肿瘤组织中积累，通过光照实现靶向成像或消融（Walter，2000年）。此外，5-ALA还被研究作为生物塑料的可持续原料，为石油衍生单体提供可再生替代品（Weuster-Botz，2025年）。这些应用体现了5-ALA作为多功能生物基化合物的商业和社会价值。
传统上，5-ALA的合成主要依赖于化学方法，即Shemin（C4）途径或谷氨酸衍生的（C5/Beale）中间体（Kang等人，2017年）。尽管化学合成可行，但这些方法存在依赖昂贵底物、使用有毒催化剂、反应条件苛刻以及产量较低等缺点，限制了其大规模和低成本的应用（Yi等人，2021年）。相比之下，微生物生物生产是一种可持续且经济可行的替代方案（Chen等人，2025年）。代谢工程和合成生物学的进步使得利用可再生原料高效生产5-ALA成为可能。这些方法在环境友好条件下进行，并可通过途径设计、宿主选择和发酵工程优化，以实现更高的产量和生产效率（Miscevic等人，2021年；Yi等人，2021年；Zhou等人，2024年）。
本研究旨在全面概述5-ALA生物生产的最新进展，重点探讨代谢工程策略、宿主选择（如大肠杆菌、谷氨酸棒状杆菌、枯草芽孢杆菌和球形红酵母）、途径优化以及发酵工艺开发。同时，还将分析5-ALA在农业、医学和生物材料领域的新兴应用，以满足不断增长的市场需求。最后，本文将分析现有挑战和未来发展方向，为建立可持续的工业规模5-ALA生产体系提供指导。
5-ALA的生物合成途径
5-ALA的生物生产是四吡咯途径中的关键步骤，最终生成血红素、叶绿素和维生素B12等重要化合物。存在两条不同的、进化上保守的合成途径：C4（Shemin）途径和C5（Beale）途径。这些途径的特异性取决于物种，反映了它们对不同代谢网络的适应性。
用于5-ALA生物合成的宿主菌株工程
高效生产5-ALA的微生物细胞工厂的开发很大程度上依赖于宿主菌的选择和现代代谢工程工具的应用。多种微生物（如大肠杆菌、谷氨酸棒状杆菌、枯草芽孢杆菌和球形红酵母）因具备通过C4或C5途径生产5-ALA的能力而受到广泛关注（表1）。不同宿主系统具有独特的代谢特性、优势和挑战。
5-ALA生产的代谢工程策略
代谢工程是一种改变天然或异源代谢途径以生产5-ALA的有效方法。大肠杆菌和谷氨酸棒状杆菌均具有天然的C5途径，可通过三步酶促反应将谷氨酸转化为5-ALA（Luo等人，2022年；Zhou等人，2024年）。尽管通过工程改造提高了5-ALA的合成效率，但最高产量仅为11.4克/升，产速为0.19克/升·小时。这些限制仍然存在。
农业应用
迄今为止，5-ALA在植物栽培中既作为代谢中间体也作为生长调节剂发挥作用（图4）。多项研究表明，5-ALA能够促进植物生长。越来越多的科学家采用组学方法来阐明其作用机制（Zheng等人，2021年）。
结论与未来方向
近年来，通过代谢工程方法在微生物合成5-ALA方面取得了显著进展，尤其是工程化的大肠杆菌和谷氨酸棒状杆菌实现了较高的产量。这些成果为5-ALA的商业化应用带来了巨大潜力。未来研究应重点提高重组菌株的效率，并加速其向工业应用的转化。
CRediT作者贡献声明
沙希德·马哈茂德（Shahid Mahmood）：撰写初稿、软件开发、方法论设计、数据分析、概念构建。
阿卜杜拉·阿尔萨兰（Abdullah Arsalan）：数据可视化、软件应用、方法论设计、数据分析。
穆罕默德·肖艾布（Muhammad Shoaib）：软件应用、资源管理、方法论设计、数据分析、概念构建。
杨胜利（Shengli Yang）：审稿与编辑、结果验证、项目监督、方法论设计、数据管理。
关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写本文时，作者谨慎地使用了ChatGPT来提升语言表达和可读性。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对文章内容负全责。
关于利益冲突的声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了中国浙江省科学技术部门（项目编号：2023C02042、2018C02017、2022C02020）的支持。
