01 背景

L-色氨酸是医药、食品和饲料工业中的重要芳香族氨基酸。与部分大宗氨基酸相比，其生物合成路线更长，对PEP、E4P、丝氨酸和谷氨酰胺等前体的供应要求更高，同时还受到反馈抑制和复杂转录调控的限制。在高产菌株构建中，产物毒性也是不容忽视的瓶颈。L-色氨酸及其相关吲哚结构化合物在高浓度积累时，可能通过疏水作用影响细胞膜完整性，造成生长衰退和发酵后期生产速率下降。因此，要实现高水平生产，不能只强化合成通路，还需要同步解决产物耐受和跨膜外排问题。

02 科技成果

[SynBioCon] 获悉，近期，江南大学的刘立明等人在Metabolic Engineering发表文章： Genome-scale overexpression screening identifies product tolerance and efflux transport as key determinants of high-level L-tryptophan production in Escherichia coli。TRPJ-0（基因型：MG1655ΔptsG::glf(Zm),glk(Zm), ΔpykF, ΔtyrR::aroG(S180F), ΔtrpRL::trpE(S40F)DCBA, ΔtnaAB,ΔyeeP::yddG）在5-L发酵罐中发酵60h产L-色氨酸43.9g/L，转化率0.16g/g，生产强度0.73g/L/h。该研究以TRPJ-0为出发菌，首先采用模块代谢工程来增强关键前体的供给，包括莽草酸、丝氨酸、谷氨酰胺，获得的菌株TRPJ‑13 L-色氨酸产量提升34.6%。

为增强菌株耐受性，构建了基于靛蓝的高通量报告系统（原理：在该系统中，色氨酸酶TnaA和单加氧酶MaFMO，将色氨酸转化为靛蓝，从而实现基于颜色的筛选），并结合全基因组过表达文库筛选，鉴定得到耐受性相关靶点soxS。机制分析表明调控因子soxS上调lpxC（编码UDP‑3‑O‑酰基‑N‑乙酰氨基葡萄糖脱乙酰酶），促进脂多糖生物合成，降低膜通透性，并改善膜完整性，从而提高L-色氨酸耐受性。

组合过表达soxS和lpxC获得菌株TRPJ‑23，其L-色氨酸耐受增加74.8%，L-色氨酸产量提升10.3%。此外，鉴定出新跨膜蛋白YicL参与L-色氨酸转运，有效促进L-色氨酸外排，使得产量提升9.0%。

在发酵优化后，菌株TRPJ‑28在5-L发酵罐中产L-色氨酸74.3g/L，转化率0.26g/g，生产强度1.24 g/L/h。在1000-L中试发酵罐中，TRPJ‑28产L-色氨酸70.4g/L，转化率0.25g/g，生产强度1.17 g/L/h。这是目前微生物L-色氨酸生产报道中的最高产量。

03 产业化视角

该研究的产业意义首先体现在原料成本控制。将碳源由纯葡萄糖切换为淀粉水解糖，可明显降低大宗氨基酸发酵的原料成本。引入glvAC后，麦芽糖残留得到解决，也有利于减少残糖对后处理和产品质量的影响。

其次，5 L至1000 L放大过程中，产量和转化率保持较好，说明该路线具有一定工程放大基础。研究中的主要基因改造采用染色体整合方式，避免了质粒维持和抗生素使用问题，更符合规模化发酵对遗传稳定性和工艺合规性的要求。

此外，虽然增强LPS合成可能引发下游产品内毒素残留的担忧，但质量检测显示，TRPJ-28纯化后产品的LPS残留水平与初始对照株相近。这一点对饲料和食品相关应用中的质量控制具有现实意义。

04 展望

该研究已经在产物耐受、外排和碳源适配方面取得了系统进展，但仍有进一步优化空间。

首先，全基因组过表达筛选主要覆盖功能获得型靶点，无法识别那些需要降低表达或敲除的限制因子。后续若结合CRISPRi或敲除文库，有望进一步发现负调控节点和副通路消耗靶点。其次，目前菌株仍保留较多在恒定工业发酵环境下可能并非必需的代谢模块。未来可通过工业底盘基因组精简，降低无效蛋白表达和维持代谢负担，进一步提高糖酸转化率和细胞工厂的稳定性。

总体来看，该工作说明，在芳香族氨基酸高产菌株构建中，强化合成通路只是基础；产物耐受、膜结构调节、外排转运和低成本原料适配同样决定最终发酵性能。该研究为L-色氨酸工业菌株开发提供了具有参考价值的系统工程路线。

来源：

参考文献 Jiang, Y., Zhou, Q., Xu, M., Meng, G., Zhao, C., Wei, A., Wang, Z., Jia, H., Yang, J., Liu, J., & Liu, L. (2026). Genome-scale overexpression screening identifies product tolerance and efflux transport as key determinants of high-level L-tryptophan production in Escherichia coli. Metabolic Engineering, Pre-proof. DOI: 10.1016/j.ymben.2026.102547

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