通过发酵优化提高大肠杆菌生产L-半胱氨酸产量

张博，史永吉，杨辉，吴梓丹，陈开，蔡雪，柳志强，郑裕国

(浙江工业大学 生物工程学院，浙江 杭州，310023)

半胱氨酸(cysteine，Cys)是生物体内常见的硫源供体，其L型具有生物学活性。L-Cys是蛋氨酸、硫胺素以及谷胱甘肽等生物体内常见物质的重要组成成分[1]。L-Cys在细胞生长和代谢过程中起着重要作用，包括蛋白质的折叠、修饰、催化活性的调节等[2]。此外，L-Cys可以通过氧化应激反应对细胞起保护作用[3]。作为生物体中一种重要氨基酸，L-Cys在医药、食品、化妆品和饲料行业中有广泛应用[4]。由于L-Cys活性巯基大量积累会对生物体产生毒性，因此制约了其作为发酵产物在微生物中进行大规模生产[5]。

L-Cys的生物合成途径和调节机制已被广泛研究。大肠杆菌(Escherichiacoli)[6]、谷氨酸棒杆菌(Corynebacteriumglutamicum)[7]、菠萝泛菌(Pantoeaanantics)[8]、卡式棘阿米巴氏菌(Acanthamoebacastellanii)[9]以及鼠伤寒沙门氏菌(Salmonellatyphimurium)[10]等均可以作为发酵菌株生产L-Cys。其中，以E.coli和C.glutamicum作为宿主菌最为常见。KAWANO等[11]研究发现E.coli中新的硫代硫酸盐利用途径，结合yciW基因的敲除，L-Cys 产量显著提升[12-13]。NAKATANI等[6]通过过表达氧化还原蛋白NrdH、亚硫酸盐还原酶CysI以及半胱氨酸合酶CysK提高L-Cys产量，降低了前体物质S-磺基半胱氨酸(S-sulfo-L-cysteine,SSC)积累。NONAKA等[14]通过敲除主要的半胱氨酸降解酶YhaM,显著改善了L-Cys的合成。YAMAZAKI等[15]发现了L-Cys转运蛋白YdjN在E.coli中参与SSC的转运，YdjN的表达受L-CysB调控。LIU等[16-18]利用代谢工程手段尝试不同的模块优化组合，最终在1.5 L发酵罐中得到了8.34 g/L的L-Cys。

除代谢改造工程菌株以获得高产菌株外，通过优化营养成分和培养条件来提高目标产物产量的方法也发挥着至关重要的作用。目前已有多种统计学方法应用于发酵过程的建模和优化[19]。……