近期，我校生物工程学院张伟国教授团队在L-赖氨酸的高效制备方面取得重要进展，研究成果“L-lysine production by systems metabolic engineering of an NADPH auto-regulated Corynebacterium glutamicum”正式发表于Bioresource Technology (IF = 11.4) (https://doi:10.1016/j.biortech.2023.129701)。由于L-赖氨酸在食品加工、药物制造和饲料添加剂中的商业重要性，人们已经努力开发能够有效生产L-赖氨酸的微生物细胞工厂。然而，代谢途径的高度复杂性和相互关联性导致单个基因的过度表达或敲除，通常导致意想不到的表型。近年来，系统代谢工程使微生物细胞工厂能够同时修改多个控制基因的设计，以高效生产各种代谢产物，已成为打破障碍的有力武器。
张伟国教授团队通过系统代谢工程设计了高效生产L-赖氨酸的谷氨酸棒杆菌。首先，碳通量被重排进入L-赖氨酸合成途径。通过增加前体物草酰乙酸的可用性，L-赖氨酸产量提高了8.7%。L-赖氨酸核心合成途径关键酶基因的表达被增强，导致工程菌株LYS-3的L-赖氨酸产量可达55.6 g/L。同时，工程菌株LYS-4中竞争代谢产物途径的削弱导致其产量进一步增加12.4%。谷氨酸棒杆菌需要足够的ATP来进行细胞代谢和L-赖氨酸的合成和运输。为了增加ATP供应构建了一系列工程菌株，最佳工程菌株LYS-4.3/Δamn的L-赖氨酸产量在摇瓶中达到67.8 g/L。通过改善产物运输系统，谷氨酸棒杆菌LYS-5的L-赖氨酸产量被进一步提高到69.3 g/L。此外，构建了可动态响应赖氨酸浓度的启动子库，并应用于调节非磷酸化NADP依赖性甘油醛3-磷酸脱氢酶，以使细胞实现自动优化细胞内NADPH池。最终设计的谷氨酸棒杆菌LYS-6在5 L发酵罐中L-赖氨酸产量可达223.4 g/L，糖酸转化率为0.68 g/g葡萄糖。本研究为已报道的L-赖氨酸的最高产量，这种系统代谢工程与动态调控相结合的策略可广泛用于构建高效的微生物细胞工厂，生产有价值的产品。
图形摘要
张伟国教授为论文的通讯作者，我校2020级博士生刘洁为第一作者。上述研究得到了国家重点研发计划（2021YFC2100900）的资助。近年来张伟国教授团队以合成生物学科学理论为指导，在系统开展高效合成高值化合物细胞工厂构建及产业化方面取得丰硕成果，相关研究成果已发表在Biosensors and Bioelectronics (2022)、Bioresource Technology (2023)等本领域权威期刊。
