综述：大肠杆菌和谷氨酸棒杆菌中高效生产支链氨基酸及其衍生物的多维代谢工程策略

《Biotechnology Advances》：Multidimensional metabolic engineering strategies for efficient production of branched-chain amino acids and their derivatives in Escherichia coli and Corynebacterium glutamicum

　　

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  通过"机制–模块–工艺"框架系统分析了支链氨基酸的生产。
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  阐明了支链氨基酸合成中的反馈抑制、转录衰减和输出机制。
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  解构了涵盖前体供应、辅因子平衡、动态控制和适应性实验室进化的模块化工程策略。
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  通过溶解氧控制与辅因子再平衡耦合优化了生长-生产阶段。
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  综述了多种支链氨基酸衍生物生物合成的最新进展。

引言

在20种标准氨基酸中，L-缬氨酸、L-亮氨酸和L-异亮氨酸因其特征性的支链脂肪族侧链而被统称为支链氨基酸（BCAAs）。作为人类的一组必需氨基酸，支链氨基酸在食品、饲料和制药行业具有重要的应用价值（Hao等，2024）。在动物营养中，通过在饲料中补充支链氨基酸，有助于优化动物生长性能、改善体成分并减少氮排放（Gao等，2021）。这一需求推动了饲料配方中支链氨基酸用量的增加，与行业实现更可持续、更高效养殖实践的目标相一致。在食品与健康领域，支链氨基酸是骨骼肌蛋白质合成和能量代谢的关键底物（Chang Hong和Layman，1984）。因此，运动后补充支链氨基酸已成为健身爱好者和运动员为提升恢复能力和运动表现而普遍采用的营养策略（Hall等，2022）。此外，支链氨基酸还是多种高价值工业和营养药用化合物的前体，包括D-泛酸（D-PA）、4-羟基异亮氨酸（4-HIL）、2-甲基-1-丁醇（2-MB）、3-甲基-1-丁醇（3-MB）、异丁醇、5-羟基亮氨酸（5-HL）等（Blombach和Eikmanns，2014; Bückle-Vallant等，2014; Vogt等，2014; Wang等，2025a; Wei等，2025; Zhao等，2025c）。

近年来，合成生物学和代谢工程的发展使微生物细胞工厂成为高效生产支链氨基酸的有前景的平台（Yu等，2021）。然而，支链氨基酸的生物合成途径受到系统性瓶颈的固有制约，这往往限制了传统一维度代谢工程方法的有效性。首先，代谢网络的内在复杂性导致细胞资源竞争和代谢失衡。支链氨基酸生物合成的前体分子——丙酮酸和草酰乙酸——分别来源于糖酵解（EMP）途径和三羧酸（TCA）循环。这种相互关联造成了显著的胞内碳通量竞争（Yin等，2024）。此外，支链氨基酸的生物合成与NADPH和能量ATP的供应紧密偶联。途径中的不平衡会轻易扰乱胞内能量和氧化还原稳态，从而制约整体代谢通量向目标产物的转化（Zhang等，2018b）。其次，细胞具有严格的、多层次的反馈调控机制以维持代谢稳态，包括酶水平的变构反馈抑制、转录调控和转运层面的限制（Wang，2019）。因此，一旦某一过程的限速酶被过表达，很可能会引起其他途径的代谢紊乱，从而抵消预期的工程效果。

鉴于上述复杂性，实现支链氨基酸的高效生物合成根本性地依赖于系统性的、多维度的、协同的工程策略，而非对单个节点或途径的孤立优化。如图1所示，这种方法需要整合至少三个层次的设计水平。在机制层面，合理调控碳通量分布、解除反馈抑制和优化产物转运是必不可少的。在模块层面，通过模块化工程重构代谢网络，包括强化前体供应、平衡NADPH依赖性还原力、开发动态控制工具以及应用适应性进化。在工艺层面，通过从分子机制到生物过程工程的整体整合，实现跨越尺度的协同效应，将培养条件（如有氧或厌氧环境）的动态效应纳入考量。

因此，本综述将采用"机制–模块–工艺"多维框架，系统总结支链氨基酸及其衍生物合成工程的近期关键进展。我们将重点关注代谢网络、调控系统和工艺优化的合理重新设计，特别强调在大肠杆菌（Escherichia coli）和谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）等模式微生物中的代谢工程工作。此外，我们将讨论如何利用多维度策略系统性地解决支链氨基酸生物合成中持续存在的瓶颈问题，并概述未来充满希望的研究方向。最终，本工作旨在为开发高效且鲁棒的支链氨基酸生产微生物细胞工厂提供系统分析和丰富经验。

章节摘要

大肠杆菌和谷氨酸棒杆菌中支链氨基酸生物合成的代谢机制分析与工程策略

在大肠杆菌和谷氨酸棒杆菌中，支链氨基酸的生物合成受复杂调控网络支配，包括关键酶的反馈抑制、关键基因的转录衰减以及转运系统的动态控制。这些相互关联的调控机制形成了一个紧密交织的网络，将代谢通量严格限制在生理范围内，从而构成了高效生产支链氨基酸的关键代谢瓶颈。传统的一维策略，例如

驱动大肠杆菌和谷氨酸棒杆菌中支链氨基酸高效合成的模块化工程策略

模块化代谢工程已成为一种强大的概念框架，将错综复杂的细胞代谢分解为可独立工程化设计和后续集成的离散功能模块（Cai等，2023; Hao等，2024; Zhao等，2025b）。本节由四个相互关联的模块组成：前体供应模块、NADPH平衡模块、动态调控模块和适应性进化模块（图4）。第一个模块关注关键的

基于生长-生产耦合的大肠杆菌和谷氨酸棒杆菌中支链氨基酸发酵过程控制策略

前面的章节已经阐明了支链氨基酸生物合成的机制基础和模块化工程策略。然而，即使是最合理设计的菌株，其最终表现也深受发酵过程环境的影响，其中溶解氧（DO）是影响碳通量在细胞生长和产物形成之间分配的最关键参数。与基因编码的动态控制不同，氧气作为一种

大肠杆菌和谷氨酸棒杆菌中支链氨基酸衍生物的高效生物合成策略

支链氨基酸生物合成网络不仅为支链氨基酸本身的生产提供了平台，还为日益增长的各类增值衍生物的生产提供了基础。这些衍生物从共同的中间代谢物——2-酮异戊酸（KIV）、2-酮异己酸（KIC）和2-酮-3-甲基缬氨酸（KMV）分支而来，在维生素、药物中间体、生物燃料和风味化合物等领域具有广泛应用（表1）。基于支链氨基酸细胞工厂稳健的工程基础

结论与展望

本综述从机制、模块和工艺三个互补维度系统地描绘了微生物生产支链氨基酸的工程全景。首先，我们通过解构反馈抑制、转录衰减和转运系统阐明了支链氨基酸的相互关联调控机制。其次，复杂的支链氨基酸代谢网络被解构为离散的功能单元，包括前体模块、NADPH模块、动态调控模块和适应性

CRediT作者贡献声明

Zhao Guihong（赵桂红）：论文写作——审阅与编辑，论文写作——初稿撰写，数据整理，概念构思。Tian Siyu（田思雨）：数据整理，可视化。Li Jiongran（李金冠）：数据整理，调查研究。Jiang Yan（江燕）：资源获取，可视化。Wang Feiao（王飞奥）：验证。Li Yanjun（李艳军）：指导，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本论文工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划的资助（2023YFA0914500）。

Zhao Guihong（赵桂红）|Tian Siyu（田思雨）|Li Jiongran（李金冠）|Jiang Yan（江燕）|Wang Feiao（王飞奥）|Li Yanjun（李艳军）