维生素B12作为一种重要的水溶性维生素，在人体生理活动中发挥着不可或缺的作用，它参与红细胞的形成和神经系统的维护，是维持人体正常生理功能的关键营养素。然而，维生素B12的自然合成过程复杂且产量有限，因此，通过微生物发酵生产维生素B12成为工业上的主要方法。
在科学家的不断探索下，微生物代谢工程领域取得了又一重要突破。近期，来自哥斯达黎加大学的研究团队在 Metabolites 期刊上发表了一项引人注目的研究，详细阐述了他们如何通过代谢模型优化假单胞菌KT2440中维生素B12的产量。这一研究成果不仅为维生素B12的工业生产提供了新的思路，也进一步展示了代谢工程在提升微生物代谢产物产量方面的巨大潜力。
研究过程与结果本研究选择了假单胞菌 (Pseudomonas putida) KT2440作为模型生物，该菌株具有较强的抗应激能力和生产多种生物活性化合物的潜力，是研究微生物代谢工程的理想对象。研究团队首先构建了假单胞菌KT2440的基因组规模代谢模型，并基于该模型进行了深入的计算机模拟分析。通过通量平衡分析 (Flux Balance Analysis, FBA)，计算出了在不同培养条件下，假单胞菌KT2440的生物量生长产量和维生素B12产量的理论值 (图1)。
展开剩余76% 图1. 维生素B12代谢合成途径的主要步骤和阶段；图中突出显示了主要前体化合物。值得注意的是，研究团队在代谢模型中引入了氨基丙醇连接基因，并对核糖开关进行了改造。这些改造措施显著提高了假单胞菌KT2440中维生素B12的合成效率。实验结果显示，在最优培养条件下，改造后的菌株的维生素B12产量可达0.359 µmol·gDW−1·hr−1·L−1，这一数值远高于对照菌株 Pseudomonas denitrificans 的理论维生素B12合成率，后者已用于工业化生产这种维生素。更令人振奋的是，通过添加氨基丙醇连接基因和改造核糖开关，假单胞菌KT2440的维生素B12合成率提高了14倍，显示出极大的工业生产潜力。
此外，研究团队还通过基因敲入模拟和OptGene分析等方法，进一步探讨了优化维生素B12生物合成途径的可能性。研究发现，引入特定反应可以显著提高维生素B12的产量，而这些反应主要影响维生素合成的代谢途径，对细菌的核心代谢影响较小。这一发现为未来的基因改造策略提供了重要参考。
值得一提的是，研究团队在实验中还充分考虑了核糖开关在维生素B12代谢中的调控作用。他们提出，通过修改核糖开关的调节机制，可以进一步优化假单胞菌KT2440中维生素B12的合成效率 (图2~3)。这一观点为未来通过基因工程手段提高维生素B12产量提供了新的思路。
图2. 候选敲入测试反应 (突出显示) 被添加到假单胞菌KT2440的基因组规模代谢模型中，以增加维生素B12的产量。 图3. 优化假单胞菌KT2440维生素B12的可能基因改造策略；维生素B12优化的一种可能策略可能包括同时加入氨基丙醇连接基因并将维生素B12途径的核糖开关改为组成型启动子序列。研究总结综上所述，本研究通过代谢模型优化和基因改造策略，成功提高了假单胞菌KT2440中维生素B12的产量。这一研究成果不仅为维生素B12的工业生产提供了新的解决方案，也为其他微生物代谢产物的优化生产提供了有益的借鉴。随着代谢工程和合成生物学的不断发展，我们有理由相信，未来将有更多高效、环保的微生物代谢工程方法应用于工业生产中，为人类社会的可持续发展贡献力量。
原文信息Prieto-de Lima, T.S.; Rojas-Jimenez, K.; Vaglio, C. Strategy for Optimizing Vitamin B12 Production in Pseudomonas putida KT2440 Using Metabolic Modeling. Metabolites 2024, 14, 636. https://doi.org/10.3390/metabo14110636
Metabolites 期刊介绍期刊内容涵盖代谢组学、代谢生物化学、计算和系统生物学、生物技术和医学领域相关的代谢物以及代谢方面的研究。
2023 Impact Factor: 3.5 2023 CiteScore: 5.7 发布于：北京市