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1、微生物发酵法生产L-色氨酸的研究摘要：L-色氨酸是人体和动物体生命活动必需的8种氨基酸之一，在人体内不能自然合成，必需从食物中摄取。它以游离态或结合态存在于生物体中，对动物的生长发育、新陈代谢等生理活动起着非常重要的作用，被称为第二必需氨基酸，在食品、饲料和医疗等诸多行业应用广泛。L-色氨酸的生产方法有化学合成法、转化法和微生物发酵法。近年来，随着代谢工程在色氨酸菌种选育中的成功运用，微生物发酵法逐渐成为主要的色氨酸生产方法。系统综述了微生物发酵法生产色氨酸所涉及的代谢工程策略，包括生物合成色氨酸的代谢调控机制以及途径改造的措施和效果，此外
2、，还探讨了L-色氨酸未来的发展前景。关键词：L-色氨酸；代谢工程；微生物发酵法1L-色氨酸的理化性质〔1～3〕L-色氨酸学名为B-吲哚基丙氨酸,英文名L-Tryptophan,化学名L-B-(3-吲哚基)-A-丙氨酸,别名L-胰化蛋白氨基酸,化学式C11H12O2N2,相对分子量204.23。L-色氨酸属于中性芳香族氨基酸,呈白色或微黄色结晶或结晶粉末,无臭,味微苦。L-色氨酸在水中微溶,在乙醇中极微溶解,在氯仿中不溶,在甲酸中易溶,在氢氧化钠试液或稀盐酸中溶解,在酸液和碱液中较为稳定,但在存在其他氨基酸或糖类物质时则易分解。L-色氨酸有3
3、种光学异构体,长时间光照易变色。L-色氨酸在水中加热产生少量吲哚,在与氢氧化钠或硫酸铜共热时则产生多量吲哚。图1-1L-Trp的分子结构Fig.1-1ThemolecularstructureofL-TRP2L-色氨酸的用途L-色氨酸在生物体内不能自然合成，需要从食物中摄取，是动物和一些真菌生命活动中的必须氨基酸。L-色氨酸在蛋白质中含量很低，平均含量约1%或更少[4]。L-色氨酸能调节蛋白质的合成、调节免疫及消化功能[5]、增加5-羟色胺代谢作用以及增强认知能力[6]等，因此在人和动物的新陈代谢、生长发育中有重要作用。L-色氨酸的这些营养
4、和药用价值使其被广泛应用于医药、饲料和食品等行业。3L-色氨酸的合成方法L-色氨酸的生产方法有化学合成法、转化法和微生物发酵法。化学合成法由于存在工艺复杂、产品成分复杂等原因，已逐渐被淘汰。而转化法(酶转化法和微生物转化法)虽然已经实现了工业化，但仍然存在原料昂贵、低转化率等问题。以葡萄糖等廉价原料来生产色氨酸的微生物发酵法是最早开发的色氨酸生产方式，但这种方法在很长的一段时期内都无法实现工业化。究其原因，主要是在早期的研究中，研究者单一依靠传统的化学或物理诱变方式选育色氨酸生产菌株;但是色氨酸的生物合成途径存在极其复杂的调控机制，仅通过诱
5、变方式无法根除其所有的代谢调控作用，因此在这种情况下，研究者无法获得优良的菌株用于L-色氨酸生产。近年来，随着DNA重组技术的快速发展，特别是代谢工程育种方式的兴起，研究者逐渐选育出一批高产的色氨酸生产菌株，大幅提高了微生物发酵法生产色氨酸的效率，使其成为工业上主要的色氨酸生产方法〔7〕。本文系统综述了微生物发酵法生产L-色氨酸所涉及的代谢工程策略，并探讨了其未来的发展趋势。4L-色氨酸的微生物合成机制4.1微生物合成L-色氨酸的代谢途径目前用于生产L-Trp的微生物种类主要有大肠杆菌、谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌、枯草杆菌、酵母等菌种。各种微
6、生物的L-Trp合成机制略有差异，以大肠杆菌为例，L-Trp合成代谢包括中心代谢途径、芳香族氨基酸共同途径和L-Trp分支途径三个部分[8]。中心代谢途径指以葡萄糖为起始物经磷酸戊糖（HMP）途径的赤藓糖-4-磷酸(E4P)和糖酵解（EMP）途径中的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)二者缩合形成3-脱氧-α-阿拉伯庚酮糖酸-7-磷酸(DAHP)的过程；共同途径指从DAHP开始，经莽草酸（SHIK）、到达分支酸(CHA)的过程；余下的从CHA至L-Trp部分，则称为L-Trp分支途径（图1-2）。目前关于L-Trp的代谢工程研究大多集中在共同途径和L
7、-Trp分支途径的改造上。Glucose图1-2大肠杆菌中L-Trp的合成途径及相关调控Fig.1-2MetabolicpathwaysandregulationforbiosynthesisofL-TrpinE.Coli4.2微生物合成L-色氨酸的调控机制色氨酸的微生物合成代谢存在复杂的调控机制，从而严格控制着色氨酸的合成。4.2.1限速酶的反馈抑制色氨酸的合成代谢中存在两个明显的限速酶:DAHP合成酶和邻氨基苯甲酸(ANTA)合成酶(图1-2)。DAHP合成酶催化中心代谢途径中的PEP和E4P生成DAHP，严格控制着由中心代谢途径进入芳
8、香族氨基酸共同途径的碳流量。大肠杆菌的DAHP合成酶由基因aroF、aroG和aroH编码的3个同工酶组成，且这3个同工酶的酶活性分别受到酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸的反馈抑制。而在
