L-精氨酸在微生物发酵中的高产策略及机制

L-精氨酸在微生物发酵中的高产策略及机制主要包括以下几个方面：

一、菌株改造

解除反馈抑制：通过对关键酶基因进行定点改造，使酶蛋白的结构发生改变，从而解除产物对酶的反馈抑制。如对钝齿棒杆菌的N-乙酰谷氨酸激酶基因进行改造，获得抗反馈抑制型的基因簇，使精氨酸大量积累时，其后期合成不受胞内外高浓度精氨酸的反馈抑制。

敲除竞争途径基因：敲除脯氨酸合成途径等竞争途径基因，减少碳源和能量向其他非目标产物途径的分流，使代谢流更多地流向L-精氨酸的合成途径，从而提高它的产量。

优化调控基因：一些调控基因的突变可以影响精氨酸合成相关酶的表达，如阻遏蛋白基因argR发生突变，导致编码阻遏蛋白翻译提前终止，从而解除了对精氨酸合成途径的反馈阻遏作用，促进精氨酸的合成。

二、代谢途径优化

增强精氨酸合成途径通量：通过过表达精氨酸操纵子，增加精氨酸合成途径中相关酶的表达量，从而提高精氨酸的合成速率。同时，优化NADPH的供应，调节糖酵解途径和磷酸戊糖途径之间的代谢通量分布，为精氨酸合成提供充足的还原力。

优化碳源代谢：加强已有的葡萄糖转运蛋白功能或开发新的葡萄糖摄取系统，提高细胞对葡萄糖的摄取和利用效率。同时，将糖酵解途径中多余的碳通量引入三羧酸循环，缓解葡萄糖溢流代谢，使碳源更有效地用于精氨酸的合成。

三、发酵条件优化

供氧策略：采用两步法供氧策略，在发酵初始阶段维持高供氧条件，满足细胞生长和代谢的需求，之后控制搅拌转速稳步下降，维持稳定的溶氧水平，促进精氨酸的积累。研究表明，这种供氧方式可使L-精氨酸产量提高16%，发酵周期缩短6h。

培养基成分及流加方式：控制发酵培养基中基质的初始浓度，如初始糖浓度为100g/L时，在发酵至24h时以2.5g/h的恒速流加葡萄糖至88h结束，最终产酸较对照组提高了27.5%。此外，pH控制在偏酸性的条件下也有利于产酸。

搅拌方式：增加搅拌器数量和优化搅拌器组合方式，改变无菌空气在发酵培养基中的路径和分布，改善气液传质，减少发酵过程中泡沫的产生，从而提高精氨酸产量。

四、高通量筛选

构建筛选平台：设计生物传感器辅助的高通量筛选平台，通过对大量突变菌株进行快速筛选，能够高效地筛选出L-精氨酸高产菌株。如利用生物传感器辅助的突变筛选方法，结合理性代谢重编程，构建出的工程菌Arg28在5L生物反应器中可生产132g/L的L-精氨酸，产量显著提高。

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