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摘要：氨基酸已经广泛应用于生产食品、动物饲料、保健品以及各类药物，具有广阔的市场空间。工业中常利用微生物作为宿主来生产氨基酸，传统上采用随机突变筛选高产氨基酸突变株的方法存在诸多弊端，因此系统代谢工程成为开发生产氨基酸突变菌株的理想方法，研究举例说明代谢工程研究氨基酸生产菌株的研究进展，并介绍几种促进氨基酸生产的新方法，希望能够为相关人士提供借鉴和参考。
关键词：微生物；氨基酸；代谢工程
微生物生产氨基酸的传统方法是采用随机突变来筛选和开发氨基酸生产菌株，但是这种方法常会引起基因组多余的改变，进而引起细胞生理上相对应的改变，因此很难进一步提高代谢产物的积累量。合成生物学研究是在功能基因组学、计算生物学和系统生物学等基础上，将工程化理念应用在生物学中，定向创造新型生物产品和生物过程整体优化的新的研究方向。在微生物中重建生物合成途径，利用其代谢工程进行发酵生产高价值化合物的方法受到越来越多的关注。系统代谢工程以系统生物学和合成生物学方法为基础，成为解决传统问题的有效方法。一些氨基酸生产商也已经成功利用系统代谢工程生产出目标氨基酸，较大程度地提高氨基酸产量。
1氨基酸生产现状
我国是氨基酸原料的生产大国，通过采用生物合成法、化学合成法以及蛋白质水解提取法来进行氨基酸制造的并陆续用于生产，我国生产的多种氨基酸产品已经实现国有化；异亮氨酸、色氨酸、蛋氨酸以及苏氨酸等都可用化学合成法合成，然而通常具有光学活性。但是采用诱变筛选氨基酸生产菌进行发酵生产，尽管能够将产量提高，生成 L-氨基酸，然而却具有较大的盲目性，工作量大，同时还有一定的局限性。近年来，微生物生产氨基酸的方法成为热点，通过对DNA 重组技术的应用，对基因采取定向诱变，选育出我们需要的微生物品种。利用微生物生产氨基酸的趋势日益明显，我国的氨基酸生产同样发展迅速，但总体技术仍不成熟，尚未形成体系，菌种生产工艺落后，效益较差，与国外生产技术水平相比，具有一定的差距，缺乏国际竞争力。氨基酸的用途十分广泛，在食品、医药、科学研究以及化妆品等领域都有不可忽视的作用。从长远利益的角度出发，我国需致力于微生物生产氨基酸的研发，发展在各个领域有较大利用价值的氨基酸品种，从而尽可能满足市场当中不断增长的需求。
2系统代谢工程在氨基酸生产中的应用
代谢工程是发酵菌株改造的重要技术平台，通过引入外源途径或者改造优化代谢网络，从而将微生物改造成天然的“细胞工厂”。系统代谢工程就是将系统生物学的概念应用于代谢工程，是设计微生物宿主细胞的有效方法。事实上，基于系统代谢工程这一概念，已经设计出几种氨基酸生产菌株。BeckerJ等利用基因组尺度周期模型的基本通量模式分析，获得赖氨酸生产菌株的理论最优通量分布。为通过基本模式分析理论最优通量分布，将野生型葡萄糖酸芽孢杆菌改造成赖氨酸生产菌株，增加回补反应通量来供应草酰乙酸，减少由磷酸烯醇丙酮酸羧激酶催化的糖异生通路的通量和TCA循环通量，增加戊糖磷酸途径的通量。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆作为该系统代谢工程研究的一部分，还进行了13C－代谢通量分析（13C－MFA），以评估每个工程步骤对赖氨酸代谢和生产优化的影响。在13C－MFA中，13C标记的碳源进入细胞，并且通过质谱和核磁谱测量蛋白质氨基酸和细胞内游离代谢物的13C富集。在13C富集代谢物的基础上，可以估计代谢通量分布。目前已有13C－MFA应用于微生物生产氨基酸的相关报道。事实上，13C－MFA已成为代谢工程的关键技术之一，此外，基于13C富集细胞内代谢物变化动力学的新型代谢通量分析系统也已建立。
3促进氨基酸生产的新方法
3.1综合利用废弃的微生物生产氨基酸，研究、开发出大量的医药所用的氨基酸产品
微生物工业的发展，伴随着大量的废渣、废水。例如:我国每年生产几十万吨味精，其菌体废渣达百万吨，有的已利用生产饲料用单细胞蛋白（SCP），也可利用生产某些含量丰富的氨基酸；可以使机体免疫功能增强，天然色素类胡罗卜素具有防病保健的作用，在藻类中含量很高，经过多年的努力，通过对海水、盐场竞相开发杜氏藻（Dunaliella）生产β-胡萝卜素但杜氏藻除含9%的β-胡萝卜素，更含有近30%的蛋白质。假如β-胡萝卜素生产后，可以通过对废弃的藻渣进行蛋白质的提取，所获蛋白质的量和氨基酸组成都类似于大豆蛋白质，所含人体必需氨基酸很高。事实上，杜氏藻商业性生产的主产品β-胡萝卜素，氨基酸、蛋白质以及甘油等为副产品，该产业的市场竞争力很强，就是做到了综合利用。武大生科院与天津盐业研究所合作，在进行杜氏藻生产β-胡萝卜素开发的同时，也进行了氨基酸的开发研究。
3.2传感器菌株的应用
德国的一个研究小组已构建谷氨酸棒杆菌重组菌株，能够检测胞内代谢物浓度（ 甲硫氨酸、赖氨酸、丝氨酸、O－乙酰丝氨酸和缬氨酸等）。传感器菌株内存在含有转录因子基因的质粒，其表达受代谢物浓度和启动子序列调节，以控制黄色荧光蛋白基因的表达。使用这种传感器菌株，可以高通量筛选产赖氨酸的谷氨酸棒杆菌突变株。传感器菌株也可用于单细胞水平的生产过程中验证新的产氨基酸菌株。例如，Mustafi N 等使用具有微流体培养装置和缬氨酸感测系统的单细胞成像技术研究生产缬氨酸的谷氨酸棒状杆菌的性能。使用该系统可以在培养试验期间检测细胞内缬氨酸浓度的变化情况，也可用于改善氨基酸生产过程。
3.3努力争夺微生物基因组的宝藏
“人类基因组计划”顺利的进展，引发了国际上基因争夺战，现阶段各国都在致力于人类基因资源的争夺，发达国家对于微生物基因资源也是竞相争夺。微生物的生态环境较为独特，例如:高压、低温、高盐以及多物种等，形成了对特殊环境相适应的基因组，在其中的基因有着各种各样不同的功能，从而所进行开发生产的氨基酸、蛋白质以及堕胎等新产品的功能也是各种各样。L-多巴黑色素（L-Dopa melamin）具有抗辐射、抗氧化、选择性地体外抗病毒活性、清除自由基、对于扇贝幼虫和牡蛎幼虫本身所具有的附着功能有着一定的促进作用，该类氨基酸衍生物在应用前景方面十分广阔，它在提取的时候能够从微生物当中进行，从而对产生该色素的菌种进行筛选并发酵生产。
结束语：
我们讨论了微生物代谢工程生产氨基酸的一些近展，然而其中还有许多未攻克的难点，主要障碍是许多有价值的化合物缺乏完整的生物合成途径信息，所以重建整个生物合成途径尚是一个挑战。但我们相信，随着合成生物学的发展，越来越多的工具和方法被应用，生物代谢途径的研究也会更多元化，也将有更多的研究成果被应用于人类社会的生产和生活。
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论文作者:刘凤玲
论文发表刊物:《防护工程》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/17
标签：氨基酸论文; 菌株论文; 微生物论文; 通量论文; 工程论文; 系统论文; 生物学论文; 《防护工程》2018年第16期论文;