近期，我校未来食品科学中心和生物工程学院陈坚院士团队周景文教授课题组在多维蛋白质工程及网络优化实现2-酮基-L-古龙酸高效绿色合成方面取得重要进展，研究成果“Multi-dimensional protein engineering and coupled network optimization enable high-titer 2-KLG green biosynthesis in G. oxydans”正式发表于Chemical Engineering Journal (IF=13.2) (https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.177121)。
维生素C是医药、食品、化妆品等领域广泛应用的大宗化学品，2-酮基-L-古龙酸（2-KLG）作为维生素C的直接前体，其高效绿色合成对产业升级至关重要。目前2-KLG的工业化生产依赖两步发酵工艺，涉及三种菌株协同作用，存在操作复杂、能耗高、成本高等弊端。氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter oxydans）因独特的膜脱氢酶系统，具备将山梨醇一步转化为2-KLG的天然潜力，是一步发酵法的理想底盘菌株，但该过程受限速酶山梨糖脱氢酶（SDH）催化活性低、膜结合蛋白表达不足及胞内代谢网络失衡限制，一步法的工业化尚未实现。
针对上述瓶颈，周景文教授团队以氧化葡萄糖酸杆菌为宿主，创新性提出“膜蛋白强化与代谢网络适配”策略，建立时序多组学指导的模块化代谢工程范式。首先确定山梨糖向2-KLG的转化为核心限速步骤，SDH催化活性不足是关键制约因素。时序多组学分析进一步明确氨基酸合成、蛋白分泌及氧化磷酸化通路下调，是限制SDH功能发挥的重要代谢瓶颈；其次，通过多维度蛋白质工程强化SDH功能，结构导向的理性设计获得L359V/V79A组合突变体，显著稳定SDH柔性环结构、拓宽底物通道，催化效率提升37.5%。利用RNA工程构建环状mRNA，延长半衰期3.3倍，同时强化Tat转运系统与分子伴侣表达，使膜定位SDH蛋白丰度显著提升；此外，提出电子泄漏-氧化应激级联失衡模型，明确SDH过表达引发电子泄漏、活性氧累积，进而损伤高效细胞色素bo3并切换至低效细胞色素bd，导致能量供应不足。协同过表达高效电子传递链组分与抗氧化关键酶，显著降低活性氧水平、恢复氧化磷酸化效率；最后，解析山梨醇代谢全局网络，确认2-KLG还原酶（KGR）介导的降解途径为碳流失关键节点，敲除KGR并重建EMP途径，有效减少碳损耗、增强前体供应。碳代谢与电子传递链适配后，菌株代谢流实现精准定向，5-L发酵罐产量达91.3 g/L。研究成果为不完全氧化微生物的代谢途径设计提供了可借鉴的技术模板，对推动维生素C的绿色制造及产业升级具有重要意义。
江南大学博士后王旭阳为论文第一作者，周景文教授为论文通讯作者。上述研究工作得到了国家重点研发计划项目(2023YFF1103700)的资助。
近年来周景文教授课题组以合成生物学科学理论为指导，在系统开展高效微生物细胞工厂构建、植物天然产物生物合成与产业化应用方面取得丰硕成果，相关研究成果已发表在Nature Communications、Trends in Biotechnology、ACS Catalysis、Advanced Science、Chemical Engineering Journal、Green Chemistry、Metabolic Engineering等本领域权威期刊。
图形摘要
