摘要：护肤品中有一种被称为“依克多因”的神奇成分，能够帮助肌肤保持水润，抵御外界环境的刺激。这种成分最早是在生活在高盐环境中的细菌体内发现的。它的作用不仅仅局限于护肤品，它还在医学、食品等领域广泛应用，比如稳定蛋白质结构、延长食品保质期，以及帮助治疗过敏性鼻炎和肺部

护肤品中有一种被称为“依克多因”的神奇成分，能够帮助肌肤保持水润，抵御外界环境的刺激。这种成分最早是在生活在高盐环境中的细菌体内发现的。它的作用不仅仅局限于护肤品，它还在医学、食品等领域广泛应用，比如稳定蛋白质结构、延长食品保质期，以及帮助治疗过敏性鼻炎和肺部炎症。

然而，传统的依克多因生产方式依赖于嗜盐细菌，生产过程复杂且设备容易被腐蚀。如何找到一种更环保、更高效的生产方式，一直是科学家们努力的目标。

最近，江南大学的研究团队实现了一个重大突破：他们通过对大肠杆菌进行基因改造，让这种常见的“微生物工厂”能够利用葡萄糖高效生产依克多因。经过优化，这一创新方法使依克多因的产量达到 35.33 g/L。这不仅为工业化生产铺平了道路，还展现了合成生物学在实际应用中的巨大潜力。相关成果发表在 Journal of Agricultural and Food Chemistry 上，题为“Metabolic Engineering of Escherichia coli for Efficient Production of Ectoine”。

大肠杆菌因其易于基因改造、生长快速且无需特殊培养条件，被科学界称为“微生物工厂”。江南大学团队将嗜盐菌的依克多因合成路径“移植”到大肠杆菌中，并通过优化代谢途径和能量供给，成功实现高效生产，为依克多因工业化开辟了新道路。

图|大肠杆菌中依克多因生物合成途径及本研究中的代谢工程策略（来源：上述论文）

依克多因的合成由三种关键酶（EctA、EctB、EctC）驱动，这些酶将代谢前体逐步转化为目标产物。研究团队从嗜盐菌中引入了 ectABC 基因簇，并整合到大肠杆菌的代谢网络中，使其能够完成从L-天冬氨酸到依多克因的合成。他们比较了低拷贝质粒 pETDuet-1 和高拷贝质粒 pRSFDuet-1 载体，以及原始 ectABC 基因序列和密码子优化后的 ectABCopt 基因序列对依多克因产量的影响。结果表明，高拷贝质粒 pRSFDuet-1 和原始 ectABC 序列的组合能够获得最高的依多克因产量。此外，他们发现增加 ectB 基因拷贝数反而降低了依多克因产量，可能是由于 ectA 和 ectC 基因表达不平衡导致的。因此，他们通过高拷贝质粒来增强基因表达水平，并优化基因序列以适配大肠杆菌的代谢系统。实验表明，基因表达水平的提升显著提高了依多克因的产量，初步改造后的菌株实现了 1.91 g/L 的依克多因产量。

图|不同工程菌株的构建策略和依克多因的产量。（来源：上述论文）

为了进一步提高依克多因产量，研究人员通过基因敲除削弱了竞争通路。大肠杆菌的代谢网络中，L-天冬氨酸和L-天冬氨酸半醛同时参与其他路径的产物合成，例如赖氨酸和同型半胱氨酸。这些竞争通路会分散碳源和能量，削弱目标产物的合成。通过敲除赖氨酸合成相关基因 lysA，并对天冬氨酸激酶基因 thrA 进行功能性截短，更多的代谢前体被导向依多克因路径，从而提高产量。他们敲除了结果显示，这些改造使依克多因产量增加了 27.5%，达到 2.44 g/L。

依多克因合成的关键前体是L-天冬氨酸和草酰乙酸。团队进一步通过过表达天冬氨酸激酶（thrA*）和天冬氨酸氨基裂解酶（aspA）等关键酶，以及引入丙酮酸羧化酶（pyc），增强了前体L-天冬氨酸和草酰乙酸的代谢通量。特别是通过引入外源丙酮酸羧化酶，建立了一条更高效的草酰乙酸合成途径，从根本上解决了原料供应不足的问题。这一策略使依多克因产量提高到 4.99 g/L。

依多克因的合成是一项高能耗的代谢过程，ATP 和 NADPH 作为“能量货币”直接决定了反应的效率。在依多克因的最终生产阶段，研究团队着眼于提高能量代谢效率。他们通过敲除 AMP 核苷酸酶基因和过表达转氢酶基因（pntAB），实现了 ATP 和 NADPH 的有效再生。菌株能够更加高效地将碳源转化为目标产物，从而达到高产的效果。最终构建的工程菌株在5升发酵罐中实现了 35.33 g/L 的依多克因产量，展现了强大的工业化潜力。

图|增加 ATP 和 NADPH 再生以促进依克多因的产生（来源：上述论文）

本研究的创新点在于采用了一种以多层次优化为核心的综合策略，其中以葡萄糖为原料，通过引入外源合成途径、减少竞争性代谢途径、增强前体物质的供应以及优化能量代谢过程。这种模块化的方法不仅有效地突破了依多克因生产的技术难题，而且展示了其在其他高价值化合物生产中的广泛应用前景。依多克因作为护肤品、食品添加剂和药物稳定剂的关键成分，其高效且可持续的生产方式对推动相关行业的进步具有重要意义。江南大学研究团队为工业化应用的扩展打下了坚实的基础，并且标志着合成生物学在推进绿色制造和可持续发展方面取得了重要成就。在未来，通过进一步改进发酵技术、扩大生产规模以及探索更多生物制造途径，微生物“工厂”将为应对人类面临的资源和环境挑战提供更多样化、高效的解决方案。合成生物学这一跨学科领域，将继续引导我们走向一个更加绿色和创新的时代。

参考链接：

1.Ke Wang, Xitong Song, Boya Cui, Yi Wang, and Wei Luo.Metabolic Engineering of Escherichia coli for Efficient Production of Ectoine.Journal of Agricultural and Food Chemistry.DOI: 10.1021/acs.jafc.4c07640

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来源：生辉SciPhi