代謝工程通過定向改造微生物代謝途徑提升目標(biāo)產(chǎn)物合成效率，而系統(tǒng)生物學(xué)則從全局視角解析代謝網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)調(diào)控機(jī)制，二者的結(jié)合為L-精氨酸高產(chǎn)菌株的構(gòu)建與發(fā)酵性能優(yōu)化提供了系統(tǒng)性解決方案。以下從靶點(diǎn)挖掘、菌株改造、過程優(yōu)化三個(gè)層面闡述其協(xié)同應(yīng)用。

一、基于系統(tǒng)生物學(xué)的代謝網(wǎng)絡(luò)解析：挖掘關(guān)鍵調(diào)控靶點(diǎn)

1. 全局代謝網(wǎng)絡(luò)建模與通量分析

通過基因組尺度代謝網(wǎng)絡(luò)模型（GEMs）重構(gòu)L-精氨酸合成相關(guān)的代謝網(wǎng)絡(luò)（以谷氨酸棒狀桿菌為例，涵蓋約800個(gè)反應(yīng)和600個(gè)代謝物），結(jié)合 13C 同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)（如 13C-葡萄糖追蹤碳流分布），量化各分支途徑的通量分配：

發(fā)現(xiàn)L-精氨酸合成的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：谷氨酸→N-乙酰谷氨酸→鳥氨酸→瓜氨酸→精氨酸的線性途徑中，N-乙酰谷氨酸合成酶（NAGS）和精氨酸琥珀酸合成酶（ASS）為限速酶，其催化反應(yīng)的通量僅為糖酵解途徑的15%-20%，存在明顯瓶頸；

識別冗余代謝分流：TCA循環(huán)中α- 酮戊二酸向谷氨酸轉(zhuǎn)化的通量占比不足40%，部分碳流通過乙醛酸循環(huán)流失（約 10%-15%），提示需強(qiáng)化谷氨酸合成以增加前體供給。

2. 轉(zhuǎn)錄組與代謝組關(guān)聯(lián)分析

通過比較高產(chǎn)菌株與野生型在發(fā)酵不同階段的轉(zhuǎn)錄組（RNA-seq）和代謝組（LC-MS/MS）數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)：

發(fā)酵中期（48 h），高產(chǎn)菌株中精氨酸操縱子（argCJBDF） 基因表達(dá)量上調(diào) 2-3 倍，而參與副產(chǎn)物（如脯氨酸、谷氨酸）合成的基因（proB、gdhA）表達(dá)量下調(diào)；

代謝物水平顯示，高產(chǎn)菌株中鳥氨酸積累量（2.5-3.0g/L）顯著高于野生型（<1.0g/L），但瓜氨酸向精氨酸的轉(zhuǎn)化效率較低（僅60%），提示ASS的活性或底物親和力需進(jìn)一步優(yōu)化。

二、代謝工程的精準(zhǔn)改造：基于系統(tǒng)生物學(xué)靶點(diǎn)的途徑優(yōu)化

1. 關(guān)鍵限速酶的定向進(jìn)化與表達(dá)調(diào)控

針對 NAGS和ASS的瓶頸效應(yīng)，采用易錯(cuò)PCR構(gòu)建突變庫，結(jié)合高通量篩選（96孔板發(fā)酵+比色法檢測精氨酸）獲得高活性突變體：NAGS的Vmax 提升1.8倍，ASS對瓜氨酸的Km值降低40%，使精氨酸合成通量提高50%；

通過強(qiáng)啟動子（如 tac 啟動子）過表達(dá)突變型NAGS和ASS，同時(shí)刪除其反饋抑制相關(guān)位點(diǎn)（如NAGS的精氨酸結(jié)合域），解除產(chǎn)物對自身合成途徑的抑制，使發(fā)酵液中精氨酸濃度從30g/L提升至45g/L。

2. 碳氮代謝流的重分配

強(qiáng)化前體供給：過表達(dá)谷氨酸脫氫酶（GDH）和丙酮酸羧化酶（PC），將糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸更多導(dǎo)向草酰乙酸→α- 酮戊二酸→谷氨酸途徑，使谷氨酸積累量增加 25%，為精氨酸合成提供充足碳骨架；

減少副產(chǎn)物分流：敲除脯氨酸合成關(guān)鍵基因（proA）和谷氨酸脫羧酶基因（gadA），阻斷碳流向脯氨酸和 γ- 氨基丁酸的分流，副產(chǎn)物總含量降低 30%，碳源利用率從60%提升至75%。

3. 能量代謝與輔酶平衡優(yōu)化

L - 精氨酸合成需消耗大量 ATP（每分子精氨酸合成需4分子ATP），通過：

過表達(dá)ATP合成酶基因（atp operon），增強(qiáng)氧化磷酸化效率，使胞內(nèi)ATP/ADP比值提高1.5倍；

敲除NADH氧化酶基因（nox），減少NADH無效消耗，維持NADPH/NADP⁺比值穩(wěn)定（>2.0），為鳥氨酸合成中的還原反應(yīng)提供輔酶，產(chǎn)率進(jìn)一步提升12%。

三、系統(tǒng)生物學(xué)驅(qū)動的發(fā)酵過程動態(tài)調(diào)控

1. 基于代謝網(wǎng)絡(luò)模型的發(fā)酵參數(shù)優(yōu)化

通過 GEMs 模擬不同碳氮比（C/N=3-5）、溶氧（20%-50%）和 pH（6.8-7.2）對精氨酸合成的影響，結(jié)合離線檢測（如胞內(nèi) ATP、NADPH濃度）與在線監(jiān)測（溶氧、pH、葡萄糖消耗速率），建立動態(tài)調(diào)控策略：

對數(shù)生長期（0-24h）：維持高C/N（5:1）和高溶氧（>40%），促進(jìn)菌體生長（OD600達(dá)10-12）；

產(chǎn)酸期（24-72h）：降低C/N至3:1，溶氧控制在30%左右，同時(shí)通過流加尿素維持 pH7.0，減少能量消耗并定向推動碳流向精氨酸。

2. 應(yīng)激響應(yīng)機(jī)制的解析與緩解

系統(tǒng)生物學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，高濃度精氨酸（>80g/L）會誘導(dǎo)菌體產(chǎn)生氧化應(yīng)激（胞內(nèi)ROS水平升高2倍）和滲透壓應(yīng)激（細(xì)胞膜完整性下降），通過：

過表達(dá)抗氧化基因（katG，編碼過氧化氫酶）和相容性溶質(zhì)合成基因（proU，編碼脯氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白），增強(qiáng)菌株對高濃度產(chǎn)物的耐受性；

優(yōu)化發(fā)酵后期溫度（從30℃降至28℃），減緩菌體衰老速度，延長產(chǎn)酸期8-12h。

四、多組學(xué)集成與合成生物學(xué)的未來方向

結(jié)合基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組的多組學(xué)數(shù)據(jù)，可構(gòu)建“基因型-表型”關(guān)聯(lián)模型，指導(dǎo)更精準(zhǔn)的代謝工程改造：

利用 CRISPR-Cas9 技術(shù)進(jìn)行多位點(diǎn)編輯（如同時(shí)調(diào)控arg operon、gdhA 和 katG），避免單基因改造的局限性；

引入動態(tài)調(diào)控元件（如基于精氨酸濃度的啟動子），實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵酶表達(dá)的時(shí)空調(diào)控，減少代謝負(fù)擔(dān)；

結(jié)合連續(xù)發(fā)酵與原位產(chǎn)物分離技術(shù)（如膜分離），通過系統(tǒng)生物學(xué)模型優(yōu)化分離參數(shù)，進(jìn)一步突破產(chǎn)物抑制瓶頸。

代謝工程與系統(tǒng)生物學(xué)的結(jié)合，通過“解析網(wǎng)絡(luò)-識別靶點(diǎn)-定向改造-動態(tài)調(diào)控”的閉環(huán)策略，顯著提升了L-精氨酸的發(fā)酵性能。未來需進(jìn)一步強(qiáng)化多組學(xué)數(shù)據(jù)的整合分析能力，結(jié)合人工智能算法優(yōu)化代謝網(wǎng)絡(luò)模型，推動 L-精氨酸生產(chǎn)向高效、低耗、可持續(xù)方向發(fā)展。

本文來源：西安浩天生物工程有限公司官網(wǎng)http://www.tbsdw.cn/