系统性的代谢工程使得大肠杆菌能够以葡萄糖为唯一碳源，实现2′-岩藻糖的生物合成

《Systems Microbiology and Biomanufacturing》：Systematic metabolic engineering enables 2′-fucosyllactose biosynthesis from glucose as the sole carbon source in Escherichia coli

　　

摘要

2′-岩藻糖（2′-FL）是母乳中含量最丰富的寡糖（HMO），在促进婴儿肠道健康、增强免疫力和抵御病原体方面发挥着重要作用。然而，传统的2′-FL生物合成方法通常依赖于外源性添加乳糖或岩藻糖前体，这导致成本高昂且工艺复杂。在这项研究中，我们报道了一种利用葡萄糖作为唯一碳源的简化2′-FL从头合成方法，该方法通过对大肠杆菌（E. coli）内源性前体途径进行系统工程改造实现。首先，我们在一种能够产生岩藻糖的底盘菌株中重建了从葡萄糖到乳糖，再从乳糖到2′-FL的完整生物合成途径。与以往主要关注GDP-L-岩藻糖供应模块的研究不同，本研究系统地平衡了磷酸化葡萄糖与非磷酸化葡萄糖池之间的代谢流，以协调乳糖和GDP-L-岩藻糖合成所需的前体供应。这种平衡是通过重建葡萄糖摄取系统、调节关键代谢节点处关键酶的表达以及消除竞争性途径来实现的。随后，通过协调过表达pgm、galU和galE基因，进一步增强了内源性乳糖合成途径；同时优化了戊糖磷酸途径和嘌呤回收途径，以提高NADPH和GTP的供应。利用这一策略，成功构建了一种用于高效生产2′-FL的工程化大肠杆菌菌株。该工程菌株在摇瓶发酵中产生了7.11克/升的2′-FL，在3升生物反应器中经过58小时培养后，其浓度达到了43.2克/升，这是迄今为止报道的以葡萄糖为唯一碳源、不添加外源乳糖的情况下，在大肠杆菌中实现2′-FL从头合成的最高浓度。