赖氨酸除了是人体的必需氨基酸外，同时也是一种重要的商业氨基酸，在全球有着巨大的市场需求。
作为一种高需求氨基酸，赖氨酸的研究价值和生产价值都极其重要。它不仅可以促进猪、家禽、鱼类等动物的生长，也能作为营养物质添加到各种加工食品中，还对治疗和预防单纯疱疹病毒与复发性的溃疡、冻疮等疾病有显著治疗效果。
除此之外，赖氨酸的衍生物还是一些重要化合物的合成前体，可用于合成附加值高的生物聚合物。
比如，其中一个衍生物戊二胺，能用于合成高性能的生物基尼龙（尼龙 54、尼龙 56 等），并在工程材料、纺织、农业和医药等领域有着广泛应用。但目前，戊二胺主要通过化学法合成，这除了会消耗大量化石燃料外，还会产生环境污染等问题。
因此，使用微生物发酵来生产赖氨酸和戊二胺是一种十分有前景的方式。
然而，大肠杆菌等常用工程菌的生长，会受到高浓度赖氨酸和戊二胺（碱性较强）的显著抑制。
为解决此问题，近期，北京微构工场生物技术有限公司（简称“微构工场”）研发团队和清华大学生命科学学院教授陈国强团队联合构建了一种能够耐受碱性环境，并生产赖氨酸、戊二胺的工程菌株。
相关论文以《用于生产赖氨酸和戊二胺的工程盐单胞菌属》（Engineered Halomonas spp. for production of L-Lysine and cadaverine）为题发表在 Bioresource Technology 上[1]。
在研究过程中，该团队首先以能够在高 pH 环境下生长的盐单胞菌 Halomonas bluephagenesis TD1.0 为底盘细胞，通过解除赖氨酸反馈抑制、增加前体供应等代谢工程改造构建了赖氨酸生产菌 Halomonas bluephagenesis TDL8-68-259，获得了 23g/L 的赖氨酸产量。
随后，在能够自凝絮的盐单胞菌 Halomonas campaniensis LC-9 中通过异源表达戊二胺合成基因，构建了戊二胺生产菌 H. campaniensis LC-9-ldcC-lysP，并通过结合赖氨酸生产菌 Halomonas bluephagenesis TDL8-68-259，实现了以葡萄糖为单一碳源从头合成戊二胺的目的。
图 | TDL8-68-259 在 7L 发酵罐中的生产情况（来源：Bioresource Technology）
值得一提的是，研究团队选择了全细胞催化作为主要实验方向，而用于全细胞催化的菌株具有自凝絮的特点，在生长后期随着细菌密度增大会凝絮成团进而自然沉降，这无论是对细菌的保护还是对最终产物的分离都十分有利。
另外，在全细胞催化法生产戊二胺中，该团队使用普通的 LB（Luria-Bertani）培养基让自凝絮菌株正常生长，当其生长减缓并出现凝絮沉淀时，加入高浓度的赖氨酸作为底物，并通过使用 0.05% 的表面活性剂 Triton X-100 处理增强细胞膜的通透性，将戊二胺的转化率提升到接近 100%，并在 7L 的小体积发酵罐实验中获得了 118g/L 的戊二胺，进而实现戊二胺的高效生产。
图 | LC-9-ldcC-lysP 在 7L 发酵罐中的生产情况（来源：Bioresource Technology）
以上研究表明，嗜盐和嗜碱的盐单胞菌有望成为高效生产赖氨酸和戊二胺的平台菌。
据了解，微构工场拥有的工业化改造嗜盐菌菌株能在多数微生物无法存活的条件下正常生长，且能很好地避免其他微生物与生产菌株的竞争，因此可以使用连续和不灭菌的方式对其进行低成本发酵，从而大大简化生产流程。
该研究团队表示，在未来若干年内，他们改造的嗜盐菌将能够部分代替已有的用于生产戊二胺的菌株，并实现低成本的戊二胺规模化生产。
此外，在小体积发酵罐的实验中，用于全细胞催化的嗜盐菌在实验结束后仍具有赖氨酸脱羧酶的活性。在后面的实验中，该团队希望能够进一步探索所改造工程菌转换戊二胺的上限，或者通过多次更换上清液降低产物戊二胺的浓度，促进赖氨酸脱羧反应的进行。
最后，作为合成生物学的创新企业，微构工场还借助合成生物科技成果来研制各种材料和产品，且目前已实现对生物降解材料聚羟基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoates）的规模化量产。同时，该公司还与清华大学保持紧密合作，持续聚焦合成生物学技术领域，不断推动相关产品在医药、环保等领域的广泛应用。
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参考：
1、Cuihuan Zhao, Taoran Zheng, Yinghao Feng, Xuan Wang, Lizhan Zhang, Chen GQ. Engineered Halomonas spp. for Production of L-Lysine and Cadaverine. Bioresource Technology 349 (2022) 126865 https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.126865
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