近期，江南大学生物工程学院刘立明教授课题组针对工程化谷氨酸棒杆菌与大肠杆菌生产L‑精氨酸及其衍生物领域的研究进展进行系统综述，以“Recent advances in the microbial production of L‑arginine and its derivatives using engineering Corynebacterium glutamicum andEscherichia coli”为题正式发表于Biotechnology Advances（IF=12.5）。
L‑精氨酸是一类半必需碱性氨基酸，在食品、饲料、化妆品、医药等多个行业均有广泛应用，同时也是L‑鸟氨酸、L‑瓜氨酸、胍基乙酸、肌酸、腐胺等高附加值化学品的关键生物合成前体。全球L‑精氨酸市场年需求量超30000吨，年均增长率约15%，产业发展前景广阔。微生物发酵是当前L‑精氨酸工业化生产的主流技术，谷氨酸棒杆菌与大肠杆菌是应用最为广泛的两大工业底盘菌株，现有报道最高发酵水平分别达到92.5 g/L、132 g/L。
然而，高效L‑精氨酸细胞工厂的构建仍受多重因素制约：关键酶受到严格的反馈抑制、生物合成途径步骤冗长、菌株对ATP与NADPH辅因子依赖性高、发酵过程副产物大量积累、L‑精氨酸分子高含氮量带来巨大氨供体供给压力，同时产物外排转运能力不足，诸多瓶颈共同限制了菌株生产性能与工业化落地。针对上述科学问题，该综述系统梳理两种模式菌株中L‑精氨酸的合成通路与代谢调控机制，归纳总结各类代谢工程改造策略，为L‑精氨酸及其衍生物的高效生物制造提供理论参考与技术思路。
L‑精氨酸及其高价值衍生物的微生物细胞工厂
该综述围绕“合成途径与调控机制解析→多维度代谢工程改造策略→现存挑战与未来发展方向”的主线，系统梳理本领域最新研究进展。首先，文章在同一分析框架下，全面对比谷氨酸棒杆菌循环型乙酰回收途径与大肠杆菌线性合成途径的差异，解析二者关键限速酶、转录阻遏系统的分子特征，明确两种底盘菌株固有的代谢特点，提出宿主特异性改造理念：谷氨酸棒杆菌更适合开展抗反馈酶工程、辅因子再生体系优化；大肠杆菌则更侧重转录去阻遏、乙酸溢出消减、生长‑生产耦合动态调控，不能简单套用通用化的通路优化方案。
随后，综述从代谢通量限制、副产物积累、产物转运能力、辅因子供给、氨供体供应五个维度解析高产瓶颈，搭建“碳流‑氮流‑能量流‑物流”的整合分析框架，并将现有改造策略归纳为四大模块：强化核心合成途径碳通量、改善前体供给与产物外排、优化胞内ATP/NADPH辅因子供应、提升氨供体可利用性。在解除反馈抑制层面，总结了抗性酶挖掘、蛋白质理性改造、PII信号转导调控等手段；在转录调控层面，对比阻遏蛋白敲除、诱饵转录序列、CRISPRi部分抑制等不同方案的优劣，指出CRISPRi可实现适度去阻遏，兼顾菌体生长与产物合成。
针对中心碳代谢，综述阐述α‑酮戊二酸、丙酮酸‑草酰乙酸关键节点的静态调控与生长耦合动态调控策略；在转运系统改造方面，揭示L‑精氨酸外排‑重摄取无效循环现象，提出强化外排蛋白、转运蛋白分子改造、敲除产物重吸收系统的组合改造思路。考虑到L‑精氨酸含氮量高达32.1%的分子特性，文章从氨供体截留、氨合成通路强化、无机铵离子摄取提升三个角度总结氮代谢优化手段；同时分别从“节流、开源、碳流重分配”角度梳理ATP、NADPH辅因子供给优化方法。
L‑精氨酸细胞工厂的系统构建与改造挑战
综述最后，当前L‑精氨酸生物制造仍存在三大现实难题：工业发酵环境下菌株高渗、氧化、活性氮胁迫耐受性不足，放大发酵过程普遍出现产量衰减；底物利用能力受限，工业混合糖利用效率有待提升，非粮生物质原料开发不足；面向肌酸、腐胺、胍基乙酸等高附加值衍生物的细胞工厂发展相对滞后，通路效率、辅因子平衡、产物毒性等问题亟待攻克。并展望了工业胁迫耐受性工程、非粮廉价底物开发及高值衍生物合成等未来研究方向，为构建高效、高产的氨基酸细胞工厂提供了新的思路。
刘立明教授为本文通讯作者，2022级博士生盛琦为论文第一作者。本项工作得到国家自然科学基金区域联合基金（U25A20618）、江苏省科技重大专项（BG2025045）、江苏省农业科技自主创新资金（CX(23)200）等项目的联合资助。
