《Food Bioscience》：Microbial engineering for sustainable biomanufacturing of succinate
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丁德阳|唐永生|张哲|赵芳龙|陈秀来江南大学生物技术学院及教育部工业生物技术重点实验室，中国无锡214122摘要琥珀酸是一种重要的生物基平台化学品，在化工、制药和食品工业中有着广泛的应用。目前，琥珀酸主要通过化学或生物方法生产。然而，传统的化学合成方法由于依赖石油资源、对环境造成
丁德阳|唐永生|张哲|赵芳龙|陈秀来
江南大学生物技术学院及教育部工业生物技术重点实验室，中国无锡214122
摘要
琥珀酸是一种重要的生物基平台化学品，在化工、制药和食品工业中有着广泛的应用。目前，琥珀酸主要通过化学或生物方法生产。然而，传统的化学合成方法由于依赖石油资源、对环境造成负担以及生产效率低下而存在诸多局限性。近年来，代谢工程和合成生物学的持续进步使得生物方法成为琥珀酸生产的有前景、高效且可持续的替代方案。在这篇综述中，我们全面概述了通过改造微生物细胞工厂来提高琥珀酸产量的策略。首先，我们总结了微生物宿主的代谢特性及其在解决琥珀酸生产限制方面的优势；接着分析了琥珀酸生产的主要生物合成途径、核心代谢机制及精确调控过程；进一步探讨了构建高产琥珀酸微生物细胞工厂的关键代谢工程策略，包括代谢途径优化、辅因子平衡调节、转运蛋白工程以及抗逆性增强。最后，我们指出了当前生物方法在琥珀酸生产中面临的潜在挑战，并提出了未来的研究方向，为琥珀酸的工业化绿色生物制造提供了理论基础和技术参考。
引言
琥珀酸是美国能源部指定的十二种用于微生物合成的基本生物基平台化学品之一（Joseph J. Bozell & Gene R. Petersen, 2010; Zeikus, 1999）。作为一种多功能平台化学品，琥珀酸在化工、制药、农业和食品工业中具有重要应用，可作为生物活性化合物的前体、植物生长促进剂和食品调味剂等（Altuna et al., 2018; Hu et al., 2018; Klein et al., 2017; Wubulikasimu et al., 2019）。此外，其衍生物琥珀酰亚胺可用作生物燃料和水净化剂（Jiang et al., 2014）。目前，琥珀酸通过化学和生物方法合成。化学合成通常涉及马来酸酐的石化转化，但这一过程会消耗大量石油资源并导致环境污染（Jansen & van Gulik, 2014）。
与化学方法相比，生物方法可以利用多种低成本且可再生的生物质资源作为琥珀酸生产的原料（Liu et al., 2022; Thuy et al., 2017）。最近，已经筛选并开发出具有天然琥珀酸生产能力的微生物菌株用于工业应用。例如，Actinobacillus succinogenes在补料批次发酵中通过酶促降低粘度和木薯浆糖化以及用低成本磷酸二铵替代昂贵的酵母提取物作为氮源，实现了高达151.44 g/L的琥珀酸产量（Thuy et al., 2017）。随着基因编辑技术的不断进步，通过构建和优化微生物宿主中的琥珀酸合成途径，成功培育出一系列高产琥珀酸的重组菌株。例如，通过改造线粒体中的TCA循环，可以高效利用线粒体氧化途径产生的NADH进行琥珀酸的原位生产。最终，经过改造的Yarrowia lipolytica在50 L发酵罐中实现了111.9 g/L的琥珀酸产量和0.79 g/g的葡萄糖转化率（Cui et al., 2023）。上述研究充分证明了琥珀酸生物合成的可行性和工业化潜力。未来，通过优化菌株特性和发酵工艺，有望实现从实验室到工业的高效率生产、低碳排放以及绿色可持续的生物制造。
本综述重点介绍了琥珀酸生产的微生物细胞工厂的构建与优化。首先，我们详细介绍了用于琥珀酸生产的代表性菌株及其代谢特性（表1）；随后系统总结了合理重构和优化琥珀酸生产途径的核心代谢工程策略；最后，展望了微生物生产琥珀酸的前景及潜在挑战（图1）。
章节摘录
用于琥珀酸生产的微生物宿主
近年来，由于琥珀酸的广泛存在及其重要的生理作用，大规模生产琥珀酸已成为重要的研究焦点（Bai et al., 2018）。在自然界中，许多微生物具有天然生产琥珀酸的能力，包括土壤细菌、工业发酵酵母和某些丝状真菌（Zhu & Tang, 2017）。在各种琥珀酸生产微生物中，细菌和酵母被认为是最具工业应用前景的宿主菌株
琥珀酸生产的微生物代谢途径
琥珀酸的生产主要通过三条代谢途径实现：氧化型三羧酸（oTCA）途径、rTCA途径和乙醛酸旁路（Arnold & Finley, 2023; Zhao et al., 2019）。3-羟基丙酸循环（3-HP循环）也能产生琥珀酸，但其代谢通量较低，目前仅在细菌菌株中得到验证（Sun et al., 2024）。在实际工业生产中，需要结合碳源的优化
琥珀酸生产的代谢工程策略
通过系统优化和调控代谢途径，使碳流转化为琥珀酸积累，从而实现琥珀酸的生产。然而，三个主要问题仍限制了琥珀酸的高效生产：副产物中的碳损失、辅因子失衡以及菌株对有毒原料的耐受性。许多代谢工程策略被用来解决这些问题：（i）阻断或减弱竞争性途径；（ii）提高琥珀酸的代谢通量
结论与展望
作为重要的平台化合物，琥珀酸在化工、制药和食品等多个领域有广泛应用。随着合成生物学和代谢工程的快速发展，琥珀酸的生物合成途径不断得到优化，以实现高效生产。目前，oTCA途径、rTCA途径和乙醛酸旁路已成为琥珀酸生产的核心途径
CRediT作者贡献声明
丁德阳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，概念构思。唐永生：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。张哲：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。赵芳龙：监督，项目管理。陈秀来：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取
Dasari, M et al., 2005; Joseph and Petersen, 2010; Zeikus et al., 1999.
致谢
国家自然科学基金（32571712）、江苏省基础研究计划和江苏省合成生物学基础研究中心（BK20233003）以及国家微生物技术重点实验室开放项目基金（M2025-04）的财政支持。
