近日，皇冠官网未来食品科学中心和welcome皇冠地址登录入口陈坚院士团队刘龙教授课题组在2¢-岩藻糖基乳糖（2¢-Fucosyllactose，2¢-FL）的生物合成方面取得重要进展，研究成果“De novo2¢-fucosyllactose biosynthesis using glucose as the sole carbon source by multiple engineeredBacillus subtilis”正式发表于Metabolic Engineering（IF=6.8）（https://doi.org/10.1016/j.ymben.2024.12.004）。
母乳寡糖（Human milk oligosaccharides，HMOs）是母乳中含量仅次于乳糖的碳水化合物，在促进新生儿肠道菌群稳态、肠道益生菌定植、新生儿免疫系统的发育和抑制感染等方面具有重要作用。2¢-FL是母乳中含量最多且研究最广泛的HMOs，已被全球多个国家或地区的相关机构批准作为食品营养强化剂使用。目前2¢-FL的制备方法主要是微生物发酵法。但是，发酵法合成2¢-FL过程中除了使用必要的碳源，还需要添加乳糖作为糖基转移受体，双碳源发酵过程增加了总体的生产成本和微生物的代谢负担。另外，由于缺乏合适的调控元件，在引入乳糖合成模块后无法有效地平衡乳糖合成模块与2¢-FL合成模块的前体竞争。为了消除2¢-FL合成过程对乳糖的依赖，研究人员已开发了利用其他碳源代替乳糖的生产方法。但是，依然没有以葡萄糖为唯一碳源进行2¢-FL的生物合成（图1）。
针对上述问题，该研究以前期一株利用双碳源合成2¢-FL的枯草芽孢杆菌工程菌为研究对象，首先通过在2¢-FL工程菌中表达来源于Neisseria meningitidis的β-1,4-半乳糖基转移酶构建了乳糖合成模块，在工程菌中实现了乳糖的生物合成；接着，通过组合乳糖和2¢-FL合成模块，实现了以葡萄糖为唯一碳源进行2¢-FL合成，在摇瓶发酵中产量达到2.53 g/L；随后，通过引入外源性非磷酸化转运系统增强了胞内非磷酸化葡萄糖的供应，使得摇瓶水平2¢-FL产量提高至4.94 g/L（图2）。
在此基础上，为实现乳糖合成模块与2¢-FL合成模块的动态调控，该研究结合致死基因回路和荧光信号基因回路的设计，搭建了一种高通量的乳糖响应型生物传感器筛选平台（图4），成功获取多种可以响应乳糖信号的生物传感器（图5）；基于该乳糖生物传感器构建了乳糖响应遗传回路，用于动态调节乳糖和2¢-FL生物合成模块之间的代谢通量；最终，工程菌株在摇瓶中的2¢-FL产量提高至9.67 g/L，在3-L发酵罐中以葡萄糖为唯一碳源的产量和转化率分别达到30.1 g/L和0.15 g/g（图6）。相关研究成果为构建高效合成2¢-FL的细胞工厂提供了重要参考。
刘龙教授为本文的通讯作者，2020级博士生张权威为论文第一作者。上述研究工作得到了国家重点研发计划（2022YFC2104903）、国家自然科学基金（32021005）和江苏省合成生物学基础研究中心（BK20233003）等项目的资助。
图1 以葡萄糖为唯一碳源的2¢-FL生物合成途径示意图
图2 以葡萄糖为唯一碳源合成乳糖和2¢-FL
图3 glcK敲除和基因干扰菌株摇瓶发酵结果
图4 转录因子筛选平台示意图
图5 乳糖响应型转录因子筛选结果
图6 动态调控乳糖和2¢-FL合成模块
