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丁二酸是一种优秀的平台化合物，在化工、材料、医药、食品领域有着广泛的用途，被美国能源部列为未来12种最有价值的平台化合物之一。作为C4平台化合物，丁二酸可用于合成1,4-丁二醇、四氢呋喃、γ-丁内酯以及生物可降解材料聚丁二酸丁二醇酯（PBS）。构建高效生产丁二酸的微生物细胞工厂，将可再生的生物质资源高效转化为丁二酸，是近年来国际上的研究热点。糖酸转化率和耐渗透胁迫是丁二酸细胞工厂改造的两个重要方面。

中国科学院天津工业生物技术研究所研究员张学礼带领的微生物代谢工程研究团队经前期研究表明，使用C5磷酸戊糖途径替代C6糖酵解途径，能提高葡萄糖代谢的还原力供给，解决丁二酸合成途径中的还原力不平衡问题。通过增强磷酸戊糖途径中的转酮酶活性，并结合转氢酶的激活，可以将丁二酸的糖酸转化率从1.1提高到1.3 mol/mol。在此基础上，进一步对大肠杆菌的磷酸戊糖途径进行了系统改造。通过使用启动子文库对磷酸戊糖途径7个基因进行精确调控，解析了各个蛋白活性和丁二酸转化率之间的相互关系。研究发现，5-磷酸核糖异构酶和5-磷酸核酮糖异构酶是途径中的两个关键调控靶点，这两个酶活性的增强会导致中间代谢物的不平衡，降低丁二酸的生产；其余5个蛋白活性在一定范围内和丁二酸转化率呈正相关关系。在此基础上，将磷酸戊糖途径分为三个模块，并使用多维度模块化代谢工程的策略对磷酸戊糖途径进行系统改造。最终，研究人员将丁二酸的转化率提高到1.61 mol/mol，达到理论最大值的94%。相关研究成果发表在Biotechnology for Biofuels期刊上，天津工生所的博士研究生谭在高和陈晶为论文的共同第一作者。

另一方面，研究团队前期获得一个高效的丁二酸细胞工厂HX024，该菌具有很强的耐渗透胁迫能力。在此基础上，通过基因组重测序和反向代谢工程验证，发现两个关键蛋白CusS和RpoB的突变与菌株的耐渗透胁迫相关，并进一步解析了其机理。Cu是细菌生长必不可少的微量金属离子，然而，Cu(I)具有潜在的毒性，在厌氧条件下Cu(I)对Fe-S簇生物合成机器和含Fe-S簇的重要代谢酶具有很大的破坏性，导致细胞在生理和代谢层次的全局紊乱。高渗透胁迫造成胞内Cu(I)的积累。CusS蛋白突变（G210V）激活了cusCFBA基因簇的表达，使得细胞能更有效地外排Cu(I)，从而表现出更强的耐渗透胁迫能力。另外，通过外源添加Cu(I)螯合剂甲硫氨酸或半胱氨酸，也能提高大肠杆菌的耐渗透胁迫能力。该研究首次发现含硫氨基酸可作为厌氧条件下的耐渗透保护物质。相关研究成果发表在Applied and Environmental Microbiology期刊上，天津工生所博士研究生肖孟雍为论文的第一作者。

基因rpoB编码RNA聚合酶的β亚基，该基因突变会导致细胞的全局调控。研究发现，RpoB突变（D654Y）导致在正常渗透压条件下，谷氨酸代谢合成、渗透保护物质转运系统ProU等与耐渗透胁迫相关的基因被激活，从而使大肠杆菌获得了“预先应对”机制，有利于细胞应对即将到来的高渗透胁迫。在高渗条件下，该突变激活了一系列糖转运蛋白，其中麦芽糖ABC转运系统相关基因malEFGKM和lamB的表达水平提高最显著（10-14倍）。进一步研究发现，高渗胁迫下增强葡萄糖的转运可增强细胞的耐高渗能力。相关研究成果发表在BMC Biotechnology期刊上，天津工生所博士研究生肖孟雍为论文的第一作者。

上述研究得到国家自然科学基金、973计划和中科院重点部署项目的支持。

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