摘要：在婴儿配方奶粉和功能性食品中，母乳低聚糖（HMOs）被认为是极为关键的活性成分，其中 6′-唾液乳糖（6′-SL）因其在促进免疫发育、改善神经系统功能和抵御病原体黏附方面的重要作用而受到广泛关注。如何实现这一化合物的高效、低成本工业化合成，一直是合成生物学和代
在婴儿配方奶粉和功能性食品中，母乳低聚糖（HMOs）被认为是极为关键的活性成分，其中 6′-唾液乳糖（6′-SL）因其在促进免疫发育、改善神经系统功能和抵御病原体黏附方面的重要作用而受到广泛关注。如何实现这一化合物的高效、低成本工业化合成，一直是合成生物学和代谢工程领域面临的重要难题。传统的生产方式主要依赖 UDP-GlcNAc 途径，但存在原料依赖度高、代谢效率不足等瓶颈，限制了其在工业规模的应用。
近期，江南大学李江华团队在 ACS Synthetic Biology 上发表了最新研究“A Novel De Novo Biosynthetic Pathway for Efficient Synthesis of 6′-Sialyllactose in Escherichia coli”，报道了一条基于 N-乙酰氨基葡萄糖（GlcNAc）的全新从头合成路径。他们成功在大肠杆菌中通过染色体整合方式构建了该路径，并通过系统性代谢工程优化，获得了目前已知最高水平的 6′-SL 产量。最终，工程菌株在摇瓶实验中达到 6.21 g/L，在 3 L 发酵罐中实现了 14.33 g/L 的突破性水平，为 6′-SL 的产业化奠定了重要基础。
与传统 UDP-GlcNAc 途径不同，本研究首次利用 GlcNAc 作为合成起点，构建了一条新的代谢通路。研究团队在大肠杆菌 K-12 MG1655 中引入了五个关键外源基因 GNA1、age、neuB、neuA 和 PST6。这些基因依次催化底物由 GlcNAc 向 ManNAc、Neu5Ac、CMP-Neu5Ac 转化，最终与乳糖结合生成 6′-SL。初始构建的菌株 EM1 产量仅为 9.72 mg/L，但充分验证了该路径的可行性，为后续优化奠定了基础。
图 | 大肠杆菌中基于 GlcNAc 的 6′-SL 从头合成途径
在 EM1 的基础上，研究团队逐步识别并解决代谢通路中的限制因素。首先，通过敲除乳糖代谢基因 lacZ，避免乳糖被分解，使更多底物用于 6′-SL合成，工程菌株 EM2 的产量提升至 54 mg/L。随后，他们对 Neu5Ac、ManNAc 及 GlcNAc 等关键前体的竞争性降解通路进行系统性基因敲除，包括 nanA、nanKE、manA、nagK 和 murQ 等，从而在菌株 EM8 中获得 193.64 mg/L 的产量，比 EM2 提高约三倍。
进一步分析发现，葡萄糖作为碳源会引发碳分解代谢抑制（CCR），抑制乳糖的利用。研究人员以甘油替代葡萄糖作为碳源，有效消除了 CCR 效应，使产量大幅提升至 1.92 g/L。这一改进标志着 6′-SL 产量首次在摇瓶实验中突破克级水平，显示出显著的工艺潜力。
在代谢流得到有效优化后，研究团队发现菌体生长与产物合成仍存在矛盾。持续表达 GNA1 对菌体造成显著代谢负担，限制了整体产能。为此，他们将 GNA1 的启动子由组成型更换为诱导型，建立了可控的表达系统。这一策略使菌株能够在生长阶段降低代谢压力，而在诱导阶段集中资源进行 6′-SL 合成，实现了菌体生长与代谢生产的解耦。
在解耦基础上，研究团队进一步完成了 GlcNAc 主要降解基因 nagAB 的敲除，成功构建工程菌株 EM10。该菌株在摇瓶实验中实现了 6.21 g/L 的产量，创下当时的最高记录。这一结果表明，新路径不仅突破了传统方法的限制，还在生长与产物合成的关系调控上实现了新的平衡。
图 | 高产菌株 EM10 的发酵表现
为了验证 EM10 的工业应用前景，研究团队在 3 L 发酵罐中进行了放大实验。在以甘油和乳糖为碳源和前体的条件下，菌株表现出良好的生长和代谢性能，最终产量达到 14.33 g/L。与摇瓶实验相比，这一水平提升了约 1.3 倍，证明了该路径在放大条件下的稳定性和可行性。同时，EM10 展现的生长—生产解耦特性，为工业发酵的过程控制带来了优势。与传统依赖 UDP-GlcNAc 途径的菌株相比，该方法减少了对精细调控的依赖，更适合规模化应用。
江南大学团队首次提出并验证了基于 GlcNAc 的 6′-SL 从头合成路径，并通过代谢工程系统性优化获得高产菌株。这一研究不仅将 6′-SL 的产量提升至目前文献报道的最高水平，还为母乳低聚糖及其他高附加值化合物的合成提供了新的策略。其核心创新在于利用 GlcNAc 途径替代传统路径，同时通过“代谢流优化—碳源替换—解耦调控”三重策略突破合成瓶颈，为未来构建更复杂、更高效的合成代谢网络提供了范式。
该成果的意义不仅限于实现单一产物的高效合成，更在于展示了合成生物学在食品与营养领域的应用潜力。通过合理设计和精细调控，微生物细胞工厂可以被赋予全新的代谢能力，推动功能性食品配料和婴幼儿营养品的产业化发展。可以预见，随着类似策略的不断拓展，合成生物学将在更广泛的健康和产业场景中发挥作用。
参考链接：
1.Zhu M, Xia H, Xu X, et al. A Novel De Novo Biosynthetic Pathway for Efficient Synthesis of 6'-Sialyllactose in Escherichia coli. ACS Synth Biol. Published online September 11, 2025. doi:10.1021/acssynbio.5c00437
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来源：生辉SciPhi
