世界农化网中文网报道：L-高丝氨酸是一种重要的非蛋白氨基酸，广泛用于精草铵膦、2,4-二羟基丁酸、1,4-丁二醇及L-甲硫氨酸等多种高附加值手性化学品的合成。近年来，L-高丝氨酸的微生物合成技术快速发展，但多数菌株依赖质粒表达系统或营养缺陷型遗传背景，在工业生产中仍面临遗传稳定性差与规模化生产受限等突出瓶颈。
近日，中国科学院微生物研究所微生物多样性与资源创新利用全国重点实验室于波团队在Metabolic Engineering上发表题为″Boosting L-homoserine production by non-auxotrophic E. coli strain via iterative rational design and tolerance engineering″的研究论文。该研究通过迭代理性设计与耐受性工程改造相结合的策略，构建了新一代非营养缺陷型、无质粒的L-高丝氨酸高产大肠杆菌工程菌株，使用低成本无机盐培养基发酵，产量与生产强度均达到目前已报道的最高水平。
研究团队在前期菌株HS15基础上，首先运用竞争性必需氨基酸合成通路的动态调控，解除了多重营养缺陷，使菌株回归″野生型″生长习性。更为精妙的是，团队舍弃了传统的强启动子诱导策略，转而建立理性设计的5′非翻译区（5′UTR）文库。通过对关键限速酶基因thrA（天冬氨酸激酶突变体）的翻译效率进行精细调谐，团队成功实现了染色体单拷贝插入位点的表达强度超越传统多拷贝质粒系统。这一操作相当于将″临时外挂″变成了″原生强力引擎″，在消除质粒负担的同时，确保了遗传稳定性的根本提升，由此诞生了无质粒、非缺陷的底盘菌株GHS03。
非理性进化之″矛″：ALE介导的极限耐受性驯化
解决了″产不出来″的问题，下一个难题是″产多了会死″。L-高丝氨酸在高浓度下对细胞具有显著毒性。
团队引入全基因组突变器（Mutator） 加速突变频率，并结合适应性实验室进化（ALE） 进行定向压力筛选。在逐步提升的产物胁迫下，菌群被强制″军训″，仅用较短周期即将菌株对L-高丝氨酸的耐受浓度阈值推高至100 g/L以上。这种不依赖先验知识的高通量筛选，为后续获得超强抗逆表型提供了进化基础。
发酵表现：低成本无机盐培养基下的″登顶″数据
融合″理性底盘GHS03″与″非理性耐受表型″后，经工艺优化获得的最终菌株NS18，在极为廉价的无机盐发酵培养基中，48小时内L-高丝氨酸积累量达到144.5 g/L，糖酸转化率高达0.48 g/g。这一综合性能指标，标志着该团队在L-高丝氨酸的工业化生产潜力上，已达全球公开报道的领先水平。
菌株NS18的高产和耐受机制
深度机制解析：多组学解码″进化后的智慧″
研究并未止步于表型，而是通过比较基因组学、转录组学与代谢物分析，深度破译了进化菌株NS18的″超能力″来源，揭示了三个维度的系统优化：
″拆除负累″提高耐受：kdgK 与 mobB 等关键基因在进化中发生失活突变。前者涉及碳源利用旁路，后者关联辅因子代谢，其失活有效减少了细胞内源能耗与有毒中间代谢物的积累，成为菌株在高产物浓度下维持生理稳态的″减压阀″。
还原力（NADPH）的″弹药库″升级：转录组证据显示，进化菌株中磷酸戊糖途径（HMP） 与三羧酸循环（TCA） 关键基因显著上调。这导致胞内NADPH（还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）水平大幅升高，为L-高丝氨酸这类需要还原性合成的代谢流提供了充足的″驱动力″。
应激适应的全局重编程：值得注意的是，支链氨基酸（BCAAs）合成通路上调，暗示菌株在长期进化压力下，通过调整细胞膜与蛋白稳态结构，获得了更优异的生理适应能力，从而解除反馈抑制，保证了前体物草酰乙酸的高效供应。
该研究为工业微生物领域提供了一个重要的改造范式：理性设计解决了″怎么建″的精准性问题，而适应性进化解决了″怎么扛″的鲁棒性问题。两者的深度融合，使得L-高丝氨酸的工业化生产路线从″可能″走向″经济可行″。该策略不仅局限于L-高丝氨酸，更为其他高附加值、高细胞毒性小分子化合物的绿色生物制造，开辟了一条普适性的底盘细胞优化路径。
