生物反应器应用丨高效生产N-乙酰神经氨酸

N-乙酰神经氨酸（NeuAc）是最常见、最重要的唾液酸（SA）之一。NeuAc具有抗黏连、抗菌和抗病毒特性，能改善大脑发育、提高认知能力，此外，还起到免疫调节、心血管保护、抗癌、抗氧化的作用。NeuAc具有一定的美白功效。因此，NeuAc在制药、化妆品和食品行业具有巨大的商业潜力。

近日，来自江南大学食品科学与技术国家重点实验室的科研团队在《Journal of Agricultural and Food Chemistry》发表了题为“Efficient Production of N-Acetylneuraminic Acid in Escherichia coli Based on the UDP-N-Acetylglucosamine Biosynthetic Pathway”的研究论文。

在该研究中，研究人员利用大肠杆菌BL21（DE3）经UDP-GlcNAc途径生物合成NeuAc，研究采用了多种策略来提高NeuAc的合成，如增加UDP-GlcNAc的供应、删除无效途径、替换NeuAc合成酶（NeuB）和UDP-N-乙酰葡萄糖胺2-表异构酶（NeuC）以及优化碳源供应，最终得到工程菌株EM19。通过分批补料发酵，工程菌EM19生产NeuAc的滴度提高到了46.92g/L，生产率为0.82g/L/h，是迄今为止报道的微生物生产NeuAc的最高浓度。

NeuAc的酶法合成通常取决于所需酶类的有效表达和纯化，并以GlcNAc和丙酮酸为起始物，然而这两种物质在大规模生产中的成本不低。因此，采用代谢工程策略细胞合成NeuAc，不仅能以更便宜的甘油和葡萄糖为起始物，还能更容易地扩大生产规模。微生物合成NeuAc一般以N-乙酰甘露糖胺（ManNAc）为直接前体，然后分别以磷酸烯醇丙酮酸（PEP）或丙酮酸为辅助底物，通过NeuAc合成酶（NeuB）或NeuAc醛缩酶（NanA）转化为NeuAc。ManNAc可由三条途径合成，包括UDP-GlcNAc、GlcNAc和ManNAc-6-phosphate途径。

GlcNAc和ManNAc-6-phosphate途径都使用GlcNAc6P作为共同的代谢中间体，后者会内源性转化为GlcNAc，然后在培养基中积累，这导致关键前体ManNAc合成所需碳源不足。相比之下，在UDP-GlcNAc途径中，除ManNAc外的所有中间产物都不能释放到培养基中，从而减少副产物的积累。

研究人员利用大肠杆菌BL21（DE3）经UDP-GlcNAc途径生物合成NeuAc。研究通过删除竞争性途经基因并引入编码NeuB和NeuC的两个基因，在大肠杆菌BL21(DE3)中构建了NeuAc合成途径。之后，导入过表达UDP-GlcNAc途径的基因（glmS,glmM和glmU），加强了前体供应，促进NeuAc合成。最后，优化了neuC和neuB的微生物来源，得到工程菌株EM19。此外，还发现甘油比葡萄糖作碳源对NeuAc合成的效果更好。

将工程菌EM19种子培养物加入5L生物反应器中，于37℃下培养至OD600达到13时，温度降至25℃，并加入终浓度为0.2mM IPTG诱导表达NeuAc，生长11.4小时后，OD600达到17.6，向生物反应器中加入终浓度为0.1mM的IPTG，整个过程中NeuAc滴度持续上升。当甘油浓度低于6g/L时，向发酵罐中加入由600g/L甘油、20g/L MgSO4·7H2O、0.2g/L维生素B1、100ug/mL氨苄青霉素和50ug/mL卡那霉素组成的补料液，以维持甘油浓度在6~10g/L之间。自动加入NH3·H2O（14%，w/v），以维持pH值在6.8。通过调整搅拌速度和通气，将溶解氧控制在30%。最终，工程菌EM19产生了46.92g/L的胞外NeuAc，生产率为0.82g/L/h，这是目前报道的最高浓度。

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