L-纈氨酸是豬和家禽飼料中的限制性氨基酸，對降低飼料粗蛋白含量、節(jié)約自然資源意義重大。目前，L-纈氨酸主要通過好氧發(fā)酵生產(chǎn)，但好氧過程需大量能量用于供氧和生物量積累，降低了糖到產(chǎn)物的理論轉化率。理論上，L-纈氨酸的合成途徑能恰好消耗糖酵解產(chǎn)生的全部NADH，實現(xiàn)“同型纈氨酸發(fā)酵”（類似同型乳酸發(fā)酵），從而獲得接近100%的最大理論產(chǎn)率。然而，此前尚無微生物能在厭氧條件下以葡萄糖和氨為原料，將L-纈氨酸作為唯一主要產(chǎn)物進行生長偶聯(lián)生產(chǎn)。

2026年5月30日，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心楊晟、蔣宇研究團隊在《自然·通訊》（Nature Communications）上發(fā)表題為“從葡萄糖和氨同型厭氧發(fā)酵生產(chǎn)L-纈氨酸的大腸桿菌工程改造與進化”（Engineering and evolution of Escherichia coli for homo-anaerobic fermentation of D-glucose and ammonia to L-valine）的論文。該研究通過理性代謝工程設計與長達5153小時的厭氧適應性實驗室進化，成功獲得一株超級L-纈氨酸生產(chǎn)菌E1.0，在320立方米工業(yè)發(fā)酵罐中實現(xiàn)83.6克/升的產(chǎn)量，產(chǎn)率達理論最大值的85%，徹底改變了L-纈氨酸的生產(chǎn)模式。

研究團隊首先在野生型大腸桿菌中敲除了混合酸發(fā)酵和L-丙氨酸合成的競爭途徑，并引入偏好NADH的突變型乙酰羥酸異構還原酶（IlvCTM）和亮氨酸脫氫酶（LeuDH），同時整合了抗反饋抑制的乙酰乳酸合酶（IlvBNmut）及輔因子平衡模塊（pntAB、nadK），構建出理性設計菌株S1.0。然而，初始菌株厭氧生長緩慢，L-纈氨酸產(chǎn)率僅0.15克/升/小時。為打破瓶頸，團隊對S1.0進行了178輪連續(xù)傳代，逐步提高葡萄糖濃度并縮短傳代間隔。最終獲得的進化菌株E1.0在3升發(fā)酵罐中產(chǎn)率達1.21克/升/小時，在320立方米工業(yè)罐中以0.55克/克葡萄糖的產(chǎn)率（85%理論最大值）生產(chǎn)83.6克/升L-纈氨酸，且發(fā)酵液可見結晶。若在發(fā)酵初期短暫通入微量空氣（0.05 vvm），生產(chǎn)周期可從60小時縮短至45小時，產(chǎn)率提升34%至1.84克/升/小時。

通過全基因組測序與逆向工程，團隊揭示了E1.0高產(chǎn)的核心突變機制：1）亮氨酸脫氫酶突變體LeuDHV22l，其比活力提高30%；2）全局調控因子Lrp的P139L突變，重構碳代謝網(wǎng)絡并下調脅迫響應基因，增強碳源利用；3）thrA啟動子區(qū)突變（上游G-A）與S354Y點突變，解除蘇氨酸反饋抑制，開啟L-蘇氨酸合成途徑作為額外的電子阱，消耗過剩NADH；4）丙氨酸外排泵AlaE的C端功能獲得性突變（如S142_Q145delinsK或A149D），增強有害副產(chǎn)物L-丙氨酸的外排，改善細胞適應性。有趣的是，以往被認為必需的支鏈氨基酸外排泵YgaZH在該厭氧體系中并非必需，完全敲除后產(chǎn)量未受影響。這些發(fā)現(xiàn)共同描繪出一幅細胞通過擴增產(chǎn)物合成基因、優(yōu)化輔因子利用、重編程全局調控及建立冗余電子阱來適應厭氧產(chǎn)物的精細代謝圖景。

該研究首次實現(xiàn)了生長偶聯(lián)的同型纈氨酸厭氧發(fā)酵，將工業(yè)產(chǎn)率從好氧工藝的37%提升至55%，大幅降低了葡萄糖成本，目前已由梅花集團進行產(chǎn)業(yè)化評估。這項工作不僅為L-纈氨酸的綠色制造提供了全新路線，也為其他還原性氨基酸和化學品實現(xiàn)厭氧高效生產(chǎn)提供了可借鑒的工程與進化策略。

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