近日，中國科學院微生物研究所王為善團隊與華東理工大學張立新團隊合作在 Trends in Biotechnology 發表了題為“Systematic development of a highly efficient cell factory for 5-aminolevulinic acid production”的文章，報道了在5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）高效生物制造方向上的突破性進展。此前王為善團隊與華東理工大學合作實現卟啉化合物高產，本次研究挖掘到目前催化活性最高的5-ALA合酶（ALAS），并且結合代謝模型以及動態調控等策略，在5 L發酵罐中實現63.39 g/l的5-ALA產量，為文獻報道最高。

5-ALA是血紅素、葉綠素等卟啉類化合物的關鍵前體，是一種用途廣泛、價值極高的化合物。5-ALA作為卟啉化合物合成的唯一前體，其生物合成一直面臨著復雜調控、ALAS缺乏等問題。本研究采用了一種創新的工作流程來探索ALAS的天然多樣性。這一工作流程結合了深度學習指導的酶學參數預測從 Komagataeibacter diospyri 中挖掘到獲得了優良的ALAS，其酶學參數（ kcat）比普遍使用的光合細菌 Rhodobacter sphaeroides 中的ALAS高2.8倍。通過多靶點組合菌株工程，團隊在全基因組尺度模型的輔助下進行了靶點的識別和組合，確保了多靶點的協同效應，并實現了5-ALA滴度的連續提升。還原型輔酶Ⅰ（NADH）的累積而造成的乙酸鹽溢出現象是合成生物學及代謝工程改造過程中常出現的問題。在該研究中，團隊創建了一個動態響應氧化還原狀態的人工平衡系統，減少了NADH在胞內的過量累積，避免乙酸鹽溢出并最終提升了產物的產量。最后，團隊對轉錄水平的氧化還原狀態調控與補料水平的其他輔助因子之間的動態平衡進行協同優化，以實現5-ALA發酵的最高生產性能。在5 L發酵罐中，5-ALA的產量達到63.39 g/L，生產強度為1.44 g/L/h。

華東理工大學碩士研究生周厚明、博士研究生張承昱為本文的共同第一作者，微生物所王為善研究員、華東理工大學張立新教授和微生物所特別研究助理羅瑩為本文共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金及中國科學院項目的經費支持。

原文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2024.06.004

圖1 5-ALA大腸桿菌細胞工廠構建流程