论文荐读

代谢工程产2'-岩藻糖基乳糖的研究

作者：

涂班策1 黄广文1 黄明珠1,2 刘斌1 陈雪岚1,2∗

单位：

1. 江西师范大学 生命科学学院, 国家淡水鱼加工技术研发专业中心

2. 江西师范大学 健康学院

基金项目：

国家自然科学基金项目(32260014, 31960014) ；江西省自然科学基金项目(20224BAB215004, 20224BAB215005)

摘要&关键词

摘要：人乳低聚糖( human milk oligosaccharide,HMO)是存在人母乳中的重要组成成分，与婴儿的健康和发育密切相关。2-岩藻糖基乳糖(2′-fucosyllactose,2′-FL)是 HMO 中含量最丰富的成分，具有显著的营养价值和药用价值，如促进婴儿大脑发育、提高婴儿免疫力等。现如今合成 2′-FL 的方法有直接提取、化学合成、酶促合成以及微生物发酵法，但前 3 种方法存在诸多限制及不足，微生物发酵法成为最有潜力的方法。该文对利用微生物进行改造从而提高 2′-FL产量的研究进行了综述，以期为相关研究者提供参考。

关键词：人乳低聚糖；2′-岩藻糖基乳糖；微生物发酵；代谢工程；futC

主要结论

1. 2'-FL 的合成方法

目前合成 2'-FL 的方法有4种，包括直接提纯法、化学合成法、酶促合成法及微生物合成法， 这几种方法的优缺点具体见表1。从表1中比较可看到，目前已知最高效环保的方法就是微生物生产2'-FL，而且微生物合成的 2'-FL与天然的2'-FL功能相同，临床试验也不会引起不良反应。此外微生物合成法与上述其他3种方法相比，生产2'-FL的方法更加方便快捷，合成过程不会添加有毒试剂，大大提高了产物的安全性，且成本低廉，合成底物可以是葡萄糖和甘油等。因此微生物合成法生产2'-FL成为研究热点。

2. 从头合成途径提高 2'-FL 产量的策略

2.1 GDP-岩藻糖的积累

在报道的通过从头合成途径生产 GDP-岩藻糖的策略中，共同过表达4个基因，包括manB、manC 和gmd、wacG，有利于前体物质 GDP-岩藻糖的积累。LI等利用不同拷贝的质粒过表达manB、manC和gmd、wacG四个基因，发现高拷贝质粒中的manB 和wacG的转录水平比低拷贝高出 11.8 和 12 倍，细胞内 GDP-岩藻糖的量相比也有明显提高，最终2'-FL的产量提高到 1.45g/L，提高了70.6%。表明提高这些基因的表达量能有效促进细胞内前体物质GDP-岩藻糖的积累，前体物质积累量提高，2'-FL产量也会随之提高。因此，提高GDP-岩藻糖是促进2'-FL产量的一个重要策略。

2.2 竞争模块的调控

为了最大化使代谢物流向目标途径而不被其他路径分流，很多研究者都着手调控竞争路径的基因。如在大肠杆菌中 GDP-岩藻糖会在wacJ表达的 UDP-葡萄糖脂质载体转移酶的作用下生成与细胞壁合成有关的可拉酸，因此wacJ基因的失活明显提高了2'-FL的产量。2'-FL另一个前体物质为 乳糖，有效地利用乳糖亦是生产2'-FL的重要因素之一。在生命体内，乳糖会被β-半乳糖苷酶水解成 葡萄糖和半乳糖，因此敲除胞内编码β-半乳糖苷酶的基因能有效减少乳糖的消耗。

糖酵解和PPP途径某种意义上来说也是影响产物的竞争模块。细胞需要生长，代谢流需要流向糖酵解、PPP等途径；细胞需要生产，代谢流则需要流 向生产代谢途径。但是细胞的生产离不开细胞的生长，细胞足够的生长量是生产的前提。而单独的删 除或弱化糖酵解途径基因会极大的影响细胞的生长，因此平衡细胞的生长和终产物的积累，即实现动态调控策略成为科研工作者的思考。

2.3 α-1,2-FT 的高效表达

无论是从头合成途径或补救途径，都需要在合成途径的关键限速酶α-1,2-岩藻糖基转移酶（α-1,2-FT）的作用下使前体物质最终变成 2'-FL。然而，微生物来源的α-1,2-FT活性是一般代谢酶的百分之一，且该酶的水溶性较差，因此在合成2'-FL的过程中，筛选出高活性的α-1,2-FT 及提高该酶的 溶解性是积累2'-FL的重要手段。

早在大肠杆菌中已经证实表达标签的使用能提高α-1,2-FT的表达量，用 GST、脂肪酶前肽、麦芽糖结合蛋白和富含天冬氨酸的小肽来标记FT，都有助于此酶在大肠杆菌中的溶解性。因此， 科研工作者进一步研究了不同标签对FT功能的影响。

2.4 辅因子的再生

NADPH 和 GTP 是参与生物能量和碳代谢的重要辅助因子，有助于维持细胞内的氧化还原平衡。目前，加强与代谢产物相关的内源性辅助因子已成为提高工业微生物化学品产量的有效方法。因此加强2'-FL代谢途径中所需要的NADPH和GTP的再生也能有效提高2'-FL的产量。其中NADPH的主要来源是磷酸戊糖途径（PPP途径），因此过表达PPP途径中的关键基因可以促进NADPH的生成。在合成过程中由甘露糖-1-磷酸到 GDP-甘露糖的合成过程需要消耗一个GTP，因此GTP作为合成过程的一个关键辅因子，不仅为代谢过程提供能源物质，也作为GDP的一个供体，因此提高GTP的供给能有效的促进 2'-FL代谢途径。

2.5 2'-FL 的输出

对于所有的宿主菌，大部分的 2'-FL都存在细胞内 ，而胞内积累过多的 2'-FL可能会通过反馈作 用来抑制2'-FL的产生，从而影响 2'-FL的产量。因此，筛选一个合适的糖转运体也是很重要的。HOLLANDS通过筛选27个糖转运体，通过检测发酵液中2'-FL的产量，结果发现来自大肠杆菌的 SetA 和粗糙脉孢菌的纤维糊精转运体CDT2能够较好地将2'-FL从酵母细胞中输出。

团队介绍

第一作者

涂班策，江西师范大学，生命科学学院生物学硕士研究生，主要从事代谢工程改造。

通信作者

陈雪岚，女，1970年1月出生。博士，教授，博导。2001年获南昌大学食品技术的硕士学位，2005年获江南大学发酵工程博士学位，并于同年7月在江西师范大学生命科学院任教至今。目前研究的方向主要是2个方向：“食品安全检测” 和“生物化学与分子生物学”。

自2005年7月于江西师范大学生命科学学院工作以来，主持了6项国家自然科学基金（其中4项分别于2012年，2015年，2017年及2024年12月结题），江西省“5511”创新团队1项，省自然科学基金重点项目1项，2项省级自然科学基金（结题2项）。在核心期刊发表论文50余篇，其中SCI 20余篇；2012年主编科学出版社的教材《基因工程试验》1本，2013年作为副主编参与编写科学出版社的教材《分子生物学》1本；授权国家发明专利7件。

引用格式

涂班策, 黄广文, 黄明珠, 等. 代谢工程产2'-岩藻糖基乳糖的研究[J] . 食品与发酵工业,2024,50(2): 329-334.

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