[科研进展]团队改造大肠杆菌产精氨酸打破转化率纪录

L-精氨酸被广泛用于食品、饲料，医药和化妆品领域。然而，其工业规模的生物合成受限于代谢调控、途径改造和发酵优化。近期，江南大学刘立明等在Bioresource Technology发表文章：Metabolic flux reprogramming and protein engineering drive efficient L-arginine biosynthesis。使用酶约束模型(ec_iML1515)和遗传学验证鉴定11个提升L-精氨酸生产的基因，包括8赋能（aspA, aspC, gltA, acnA, icd, gdhA, glnA, carAB），3失能（prpC, pck, lysC），涉及三个模块：

1.草酰乙酸模块，包括prpC（编码2-甲基柠檬酸合酶，催化丙酰-CoA和草酰乙酸产2-甲基柠檬酸）, pck（编码ATP依赖的磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶，催化草酰乙酸为磷酸烯醇式丙酮酸）

2.天冬氨酸模块，包括aspC（编码天冬氨酸氨基转移酶，催化草酰乙酸和L-谷氨酸合成L-天冬氨酸以及α-酮戊二酸）, aspA（编码天冬氨酸氨解酶，催化富马酸合成天冬氨酸）, 和lysC（编码天冬氨酸激酶III，催化L-天冬氨酸为L-天冬氨酸-4-磷酸）

3.瓜氨酸模块，包括gltA（编码柠檬酸合酶）, acnA（编码顺乌头酸水合酶A）, icd（编码异柠檬酸脱氢酶）, gdhA（编码谷氨酸脱氢酶）, glnA（编码谷氨酰胺合酶）, carAB（编码氨甲酰磷酸合酶）

基于这些靶点，对菌株Arg4（Arg4菌株在7.5-L发酵罐中产L-精氨酸52.83g/L，转化率0.30g/g，生产强度1.10g/L/h）进行改造以平衡前体供应（草酰乙酸、天冬氨酸和瓜氨酸）,获得菌株Arg10在7.5L发酵罐中产L-精氨酸87.24g/L，转化率0.48g/g，生产强度1.82g/L/h。随后，对限速酶精氨琥珀酸合酶（ArgG）进行蛋白质工程改造，获得最佳突变体ArgG（Y131F/K132R），用其替换基因组野生型ArgG后获得菌株Arg11，将L-精氨酸产量提高至94.80g/L，L-天冬氨酸积累减少7.6倍至1.1g/L。最后，在发酵温度（两阶段控温：38°C下0–12小时，35°C下12–48小时）和pH（7.4）的优化后，Arg11菌株在3-m3发酵罐中的L-精氨酸产量，转化率和生产强度为114.18g/L，0.57g/g和2.27g/L/h，作者称是迄今为止报道最好表型。刘立明等基于Arg4构建的工程菌株ARG10在1000L发酵罐中的L-精氨酸产量、转化率和生产强度分别为108.33 g/L、0.54 g/g和2.26 g/L/h。。谢希贤等构建的ARG28菌株在5-L发酵罐中产L-精氨酸132g/L，转化率为0.51g/g，生产强度为2.75g/L/h。综上，该研究报道了L-精氨酸的最高转化率。