L-精氨酸是一種重要的氨基酸，廣泛應用于飼料、醫(yī)藥、食品等領域。目前，以工程化的谷氨酸棒桿菌和大腸桿菌等微生物為催化劑，通過微生物發(fā)酵的方法生產(chǎn)L-精氨酸是該產(chǎn)品的主要生產(chǎn)方式。合成生物學在其高效合成中的研究進展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

一、改造合成途徑關(guān)鍵酶

在大腸桿菌中，乙酰谷氨酸合成酶ArgA是L-精氨酸合成途徑的關(guān)鍵限速酶，會受到終產(chǎn)物L-精氨酸的反饋抑制。通過基因工程技術(shù)對ArgA進行改造，使其不再受L-精氨酸的反饋抑制，可促進它的合成。在谷氨酸棒桿菌中，關(guān)鍵限速酶是乙酰谷氨酸激酶ArgB，同樣可采用類似方法解除其反饋抑制，提高其產(chǎn)量。

二、解除轉(zhuǎn)錄抑制

在谷氨酸棒桿菌中，阻遏蛋白ArgR和FarR會結(jié)合在L-精氨酸合成操縱子的相關(guān)基因上游，抑制轉(zhuǎn)錄。通過基因編輯技術(shù)敲除或弱化這些阻遏蛋白的編碼基因，可解除對其合成相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄抑制，從而增加它的合成。大腸桿菌中L-精氨酸合成途徑也受ArgR的轉(zhuǎn)錄負調(diào)控，采取類似策略也能提升產(chǎn)量。

三、阻斷降解途徑

通過分析L-精氨酸在微生物細胞內(nèi)的代謝途徑，確定參與其降解的酶和相關(guān)基因，然后利用基因敲除技術(shù)將這些基因敲除，阻斷它的降解途徑，使更多的前體物質(zhì)用于L-精氨酸的合成。

四、強化輔因子供應

L-精氨酸合成過程需要輔因子NADPH和ATP等參與。通過優(yōu)化磷酸戊糖途徑、TCA循環(huán)途徑等，可促進輔因子NADPH的再生。如在鈍齒棒桿菌中，向磷酸戊糖途徑的相關(guān)基因添加降解標簽、替換RBS結(jié)合位點或插入強啟動子等，調(diào)控碳通量，促進了NADPH的再生，提高了L-精氨酸產(chǎn)量。另外，通過增加ATP的供應，也能為其合成提供能量支持。

五、構(gòu)建高效篩選體系

基于生物傳感器的高通量篩選技術(shù)可用于篩選L-精氨酸高產(chǎn)菌種。

六、優(yōu)化氨甲酰磷酸合成途徑

氨甲酰磷酸為L-精氨酸的生物合成提供氨基甲?；鶊F。江南大學饒志明教授團隊以鈍齒棒桿菌為底盤細胞，敲除氨甲酰磷酸合成酶CPS II的大亞基編碼基因carB，然后串聯(lián)表達CPS II編碼基因提高酶活，并替換谷氨酰胺合成酶GS編碼基因的啟動子，增加底物供給，使其產(chǎn)量顯著提高。該團隊還通過引入新的氨甲酰磷酸合成途徑，提高了胞內(nèi)氨甲酰磷酸總合成速率，最終使重組菌株在 5L 發(fā)酵罐水平的L-精氨酸產(chǎn)量較原始菌株提高了54.5%。

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