近日，我校生物工程学院饶志明教授团队徐美娟教授课题组在改造谷氨酸棒杆菌维持细胞氧化还原稳态高效生产谷胱甘肽方面取得重要进展，研究成果“The maintenance of redox homeostasis to regulate efficient glutathione metabolism in Corynebacterium glutamicum”正式发表于Chemical Engineering Journal (IF=13.4)（http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2025.160237）。
谷氨酸棒杆菌是氨基酸发酵行业的核心菌株，其底物谱广泛并具有良好的底/产物耐受性，已被设计用于各种碳氮源生产氨基酸、生物基材料单体和营养化学品等。谷氨酸棒杆菌在高溶氧发酵条件下生产氨基酸和有机酸时易产生大量ROS，显著影响其细胞性能和目标产物的代谢合成效率。谷胱甘肽（GSH）是一种由L-谷氨酸、L-甘氨酸和L-半胱氨酸组成的三肽，是细胞中含量最多的生物硫醇，作为一种典型的内源性抗氧化剂，参与细胞内酸、毒素、氧化物等物质的解毒，从而维持生命系统的氧化还原稳态。
本文研究了谷胱甘肽在谷氨酸棒杆菌中作为抗氧化剂的代谢机制，并通过代谢工程和发酵优化策略，构建了高效的谷胱甘肽生产菌株。通过计算机辅助设计平台Pross对谷胱甘肽合成酶（GshF）进行改造，获得了具有更高催化活性和稳定性的突变体StGshFE11P-H366Y-A398E，显著提高了谷胱甘肽的合成效率。研究发现aecD介导的L-半胱氨酸产生的高水平硫化氢影响细胞生长和细胞氧化稳态，减少抗氧化剂谷胱甘肽的产生；同时，谷胱甘肽降解基因ggt与氧化型GSSG相互作用，影响抗氧化水平的波动，进一步提高了胞内ROS水平。结合aecD和ggt敲除，并引入谷胱甘肽还原酶增强细胞还原能力，促进GSSG还原，可显著增加谷胱甘肽的产生，有效降低发酵中的ROS水平，维持氧化还原稳态。
在维持细胞氧化还原稳态的基础上，本研究利用5L生物反应器中发酵生产谷胱甘肽，结果显示，高溶氧促进GSSG的产生和ROS的积累。结合ATP再生和运输系统，优化底物投料时间、pH、温度和溶解氧条件后，最终发酵法生产还原型谷胱甘肽产量可达25.07±0.41 g/L，葡萄糖得率为163.86 mg/g，产率为417.83 mg/L/h。该研究不仅展示了谷氨酸棒杆菌在工业生产谷胱甘肽中的潜力，还为解决细胞发酵过程中的氧化应激问题提供了有效的策略。
我校2023级博士生高惠为论文的第一作者，徐美娟教授为论文的通讯作者。上述研究得到了国家重点研发项目（2023YFD1300700）、国家自然科学基金项目（32270036）、江南大学工业生物技术教育部重点实验室项目（KLIB-KF202305）等资助。
近年来，徐美娟教授在微生物代谢工程选育、基因组进化工具开发、碳氮代谢全局调控机制、氧还稳态分子调控机制、sRNA调控功能等方面取得丰硕成果，相关成果发表在Science Advances、Nucleic Acids Research、Chemical Engineering Journal、Bioresource Technology、ACS Synthetic Biology等本领域权威期刊。
