氨基酸技术发展及新产品开发
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氨基酸技术发展及新产品开发
氨基酸技术发展及新产品开发
谢希贤 陈 宁 （天津科技大学生物工程学院，天津 300457）
doi:10.3969/j.issn.1674-0319.2014.04.004
氨基酸及其衍生物具有非常重要的生理功能。氨基酸工业是发酵工业的 支柱产业之一，其产品有着广泛的应用和巨大的市场。近些年，氨基酸工业 的发展日新月异，各种氨基酸生产的新菌种、新工艺和新技术层出不穷，这 为氨基酸工业的进一步发展提供了巨大的动力。主要介绍氨基酸代谢工程的 技术发展和氨基酸深层次加工及新产品开发进展。
24 生物产业技术 2014.04(7月). www.biobusiness.com.cn
氨基酸技术发展及新产品开发
随着基因测序和蛋白质分离鉴定等 氨基酸产物的合成与分解同样是一个非
高通量研究技术的发展，各种组学研究 常复杂的代谢过程，其中涉及基因的表
被广泛地用于氨基酸代谢网络研究。功 能基因组学、蛋白质组学和代谢组学的 深入研究及大量实验数据的累积为细胞 代谢网络的研究发展提供了强大的驱 动力 。
目前氨基酸生产菌组学比较研究仍 集中在谷氨酸、赖氨酸等有限的品种 上 ，其他具有组学分析价值的突变株较 少。另外，常规的比较对象一般是标准 株/出发菌和突变株，比较对象的不足导 致的问题有：① 少数的有益突变隐藏在 大量的无义甚至有害的突变中，解析难 度大；② 解析的突变常常只涉及少数代 谢基因或部分途径，细胞整体代谢网络 变化的分析不全面。因此，需要寻找更 多优良的可比较对象，开展多角度全方 位的氨基酸代谢网络分析研究，解析生 产菌株更多的代谢分子基础、互作关系 及调控机制等重要的系统生物学知识。
参考文献
Kalinowski J，Bathe B，Bartels D，et al. The complete Corynebacterium glutamicum ATCC 13032 genome sequence and its impact on the production of L-aspartate-derived amino acids and vitamins. J Biotechnol，2003，104(1-3):5-25.
E-mail:xixianxie@tust.edu.cn Tel:022-60601251
www.biobusiness.com.cn 2014.04(7月). 生物产业技术 23
表 1 小品种氨基酸和氨基酸衍生物产品
主要产品
主要生产方法
主要应用领域
参考文献
P a r k J H ， L e e S Y. To w a r d s s y s t e m s metabolic engineering of microorganisms for amino acid production. Curr Opin Biotechnol， 2008， 19(5):454-460.
日本、德国、美国和韩国在氨基 酸代谢工程研究方面开展了大量的工 作，通过系统地改造微生物的氨基酸 合成代谢网络，构建高效的氨基酸工 程菌 ~ 。 目前，一些基因工程菌已被应 用于氨基酸产品（赖氨酸、苏氨酸和色 氨酸等）的工业化生产，取得了良好的
经济效益。相比较而言，我国自主开发 的氨基酸工业生产菌株多数还来源于传 统诱变，基因工程手段应用不足，导致 发酵周期长，生产水平偏低。因此，迫 切需要采用新型代谢工程育种技术等手 段来提高现有氨基酸菌种的产酸水平和 构建新型氨基酸生产菌种。
参考文献
Hermann T. Industrial production of amino acids by coryneform bacteria. J Biotechnol， 2003，104:155-172.
参考文献
Wendisch V F，Bott M，Eikmanns BJ. Metabolic engineering of Escherichia coli and Corynebacterium glutamicum for biotechnological production of organic acids and amino acids. Curr Opin Microbiol，2006，9(3):268-274.
2.1 组学研究推动氨基酸代谢工程发展
目前氨基酸品种可以达到1000多 种，但应用于生产的微生物菌种主要是 大肠杆菌和谷氨酸棒杆菌 。虽然针对 大肠杆菌和谷氨酸棒杆菌国内外已经开 展了大量系统生物学研究工作，获得的 基因组序列和基因功能信息逐步增加， 一些调控因子和相应调控功能也被解析 ， 但随着更多复杂氨基酸新品种在应用开 发上的深入，我们需要更深入地了解生 产菌生化代谢网络和调控机制。
参考文献
Krömer J，Sorgenfrei O，Klopprogge K，et al. In-depth profiling of lysine-producing Corynebacterium glutamicum by combined analysis of the transcriptome，metabolome, and fluxome. J Bacteriol，2004，186:1769-1784.
稳居世界第一。产品以大宗氨基酸为主， 其中谷氨酸（210万吨）、赖氨酸（85万 吨）和苏氨酸（10万吨）分别占总产量 68%、27%和3%（中国生物发酵产业协会 2013年报告）。近些年，高附加值氨基酸 产品的需求快速增长，带动了一些小品种 氨基酸和高附加值氨基酸衍生物产品的快 速发展（表1）。
虽然我国大宗氨基酸的生产技术水 平已达到国际先进水平，但其他高附加值 氨基酸产品与国外先进水平仍有不小的差 距。从我国的氨基酸生产现状分析，提升 现有氨基酸产品的生产技术水平，加快氨 基酸深层次加工和新产品开发是实现可持 续发展的必然途径。
参考文献
Bailey J E. Toward a science of metabolic engineering. Science，1991，252:1668-1675.
参考文献
Park J H，Lee K H，Kim T Y. Metabolic engineering of Escherichia coli for the production of L-valine based on transcriptome analysis and in silico gene knockout simulation. Proc Nat Acad Sci， 2007，104(19):7797-7802.
参考文献
Ikeda M，Takeno S. Amino acid production by Corynebacterium glutamicum. Corynebacterium glutamicum，2013，23:107-147.
参考文献
Eggeling L，Bott M. Handbook of Corynebacterium glutamicum. Boca Raton，USA: CRC Press，2005.
2 氨基酸代谢工程研究
氨基酸是典型的代谢控制发酵，早 期主要采用传统理化诱变手段对生产菌 株进行遗传改造。在过去几十年中，基 于理化诱变的传统的微生物育种技术在 促进氨基酸工业发展方面发挥了极其重 要作用。近二十年来，随着对微生物代 谢网络研究的深入及基因重组技术的日 趋完善，通过系统生物学的方法构建氨 基酸生产菌株已经成为国际上微生物遗 传育种的研究热点 。
参考文献
Juminaga D，Baidoo E E, Redding-Johanson A M，et al. Modular engineering of L-tyrosine production in Escherichia coli. Appl Environ Microbiol，2012，78(1):89-98.
参考文献
Santos C N，Xiao W，Stephanopoulos G. Rational，combinatorial，and genomic approaches for engineering L-tyrosine production in Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci，2012， 109(34):13538-13543.
2.2 氨基酸代谢工程育种新技术
经典的代谢工程改造以“进、通、 节、堵、出”代谢控制策略为基础，根 据氨基酸的代谢调控机制，通过关键酶 过表达、基因缺失、基因突变和基因重 组等常规的基因工程手段来构建高效氨
氨基酸衍生物
D- 氨基酸、β- 氨基酸、短肽、 均聚氨基酸
发酵法、酶法转化 化学合成
医药、食品、 材料
参考文献
Dong X，Quinn P J，Wang X. Metabolic engineering of Escherichia coli and Corynebacterium glutamicum for the production of L-threonine. Biotechnol Adv，2011， 29:11-23.
1前言
氨基酸作为生命体蛋白质的基本组 成单位，在人和动物的营养健康方面发挥 着重要的作用。目前已广泛应用于医药、 食品、饲料、保健、化妆品、农药、肥料 和制革等领域。氨基酸及其衍生物的种类 已由20世纪60年代的50余种发展到现在的 1000余种，全球每年的需求量已超过800 多万吨。
氨基酸工业是发酵工业的支柱产业之 一，当前全球氨基酸工业已发展成为一个 品种繁多、门类齐全的庞大产业群。我国 是氨基酸生产大国，2012 年我国氨基酸总 产量达到330万吨，同比增长10%，继续
参考文献
Ohnishi J，Mitsuhashi S，Hayashi M，et al. A novel methodology employing Corynebacterium glutamicum genome information to generate a new L-lysine-producing mutant. Appl Microbiol Biotechnol，2002，58:217-223.
达和调控、酶活性的反馈调节以及胞内 代谢流量变化等过程，并有许多因素参 与其中。所以研究者在应用系统生物学 技术进行代谢改造时，也必须对细胞代 谢途径或网络中的多个基因表达进行有 效的调控，同时还需考虑细胞能量、前 体、辅因子的供应以及产物的转运和进 一步代谢等多方面因素。
代谢工程包括代谢分析、代谢设计 和代谢改造三部分内容。氨基酸生产水 平的提高也对氨基酸代谢工程研究提出 了更高的要求。在当前的研究背景下， 深入的氨基酸代谢工程分析需要建立在 包括代谢网络动态调控在内的更全面的 系统生物学研究基础之上。在代谢设计 方面，需要考虑复杂代谢网络重构与优 化，强调多基因的表达优化和多因素多 途径的协同作用。在代谢改造方面，需 要发展基因组规模化定向改造技术，并
作者简介
谢希贤，理学博士，天津科技大 学生物工程学院副教授，代谢控制发酵 国家地方联合共建工程实验室主任助 理，中国氨基酸技术服务中心副秘书 长，天津微生物学会理事。主要从事氨 基酸和核苷酸代谢工程研究，新型氨基 酸产品开发。作为主要完成人获天津科 技进步奖二等奖1项，发表SCI收录论 文20余篇。
蛋白质氨基酸
芳香族氨基酸、分支链氨基酸、 精氨酸、谷氨酰胺、组氨酸、
半胱氨酸、丝氨酸
发酵法、酶法转化、 提取法
Leabharlann Baidu
饲料、医药、 食品、材料
非蛋白质氨基酸
鸟氨酸、瓜氨酸、茶氨酸、氨 发酵法、酶法转化、
基丁酸、叔亮氨酸、正缬氨酸
提取法
食品、医药
参考文献
Lee K H，Park J H，Kim T Y，et al. Systems metabolic engineering of Escherichia coli for L-threonine production. Mol Syst Biol，2007， 3:149.
氨基酸技术发展及新产品开发
谢希贤 陈 宁 （天津科技大学生物工程学院，天津 300457）
doi:10.3969/j.issn.1674-0319.2014.04.004
氨基酸及其衍生物具有非常重要的生理功能。氨基酸工业是发酵工业的 支柱产业之一，其产品有着广泛的应用和巨大的市场。近些年，氨基酸工业 的发展日新月异，各种氨基酸生产的新菌种、新工艺和新技术层出不穷，这 为氨基酸工业的进一步发展提供了巨大的动力。主要介绍氨基酸代谢工程的 技术发展和氨基酸深层次加工及新产品开发进展。
24 生物产业技术 2014.04(7月). www.biobusiness.com.cn
氨基酸技术发展及新产品开发
随着基因测序和蛋白质分离鉴定等 氨基酸产物的合成与分解同样是一个非
高通量研究技术的发展，各种组学研究 常复杂的代谢过程，其中涉及基因的表
被广泛地用于氨基酸代谢网络研究。功 能基因组学、蛋白质组学和代谢组学的 深入研究及大量实验数据的累积为细胞 代谢网络的研究发展提供了强大的驱 动力 。
目前氨基酸生产菌组学比较研究仍 集中在谷氨酸、赖氨酸等有限的品种 上 ，其他具有组学分析价值的突变株较 少。另外，常规的比较对象一般是标准 株/出发菌和突变株，比较对象的不足导 致的问题有：① 少数的有益突变隐藏在 大量的无义甚至有害的突变中，解析难 度大；② 解析的突变常常只涉及少数代 谢基因或部分途径，细胞整体代谢网络 变化的分析不全面。因此，需要寻找更 多优良的可比较对象，开展多角度全方 位的氨基酸代谢网络分析研究，解析生 产菌株更多的代谢分子基础、互作关系 及调控机制等重要的系统生物学知识。
参考文献
Kalinowski J，Bathe B，Bartels D，et al. The complete Corynebacterium glutamicum ATCC 13032 genome sequence and its impact on the production of L-aspartate-derived amino acids and vitamins. J Biotechnol，2003，104(1-3):5-25.
E-mail:xixianxie@tust.edu.cn Tel:022-60601251
www.biobusiness.com.cn 2014.04(7月). 生物产业技术 23
表 1 小品种氨基酸和氨基酸衍生物产品
主要产品
主要生产方法
主要应用领域
参考文献
P a r k J H ， L e e S Y. To w a r d s s y s t e m s metabolic engineering of microorganisms for amino acid production. Curr Opin Biotechnol， 2008， 19(5):454-460.
日本、德国、美国和韩国在氨基 酸代谢工程研究方面开展了大量的工 作，通过系统地改造微生物的氨基酸 合成代谢网络，构建高效的氨基酸工 程菌 ~ 。 目前，一些基因工程菌已被应 用于氨基酸产品（赖氨酸、苏氨酸和色 氨酸等）的工业化生产，取得了良好的
经济效益。相比较而言，我国自主开发 的氨基酸工业生产菌株多数还来源于传 统诱变，基因工程手段应用不足，导致 发酵周期长，生产水平偏低。因此，迫 切需要采用新型代谢工程育种技术等手 段来提高现有氨基酸菌种的产酸水平和 构建新型氨基酸生产菌种。
参考文献
Hermann T. Industrial production of amino acids by coryneform bacteria. J Biotechnol， 2003，104:155-172.
参考文献
Wendisch V F，Bott M，Eikmanns BJ. Metabolic engineering of Escherichia coli and Corynebacterium glutamicum for biotechnological production of organic acids and amino acids. Curr Opin Microbiol，2006，9(3):268-274.
2.1 组学研究推动氨基酸代谢工程发展
目前氨基酸品种可以达到1000多 种，但应用于生产的微生物菌种主要是 大肠杆菌和谷氨酸棒杆菌 。虽然针对 大肠杆菌和谷氨酸棒杆菌国内外已经开 展了大量系统生物学研究工作，获得的 基因组序列和基因功能信息逐步增加， 一些调控因子和相应调控功能也被解析 ， 但随着更多复杂氨基酸新品种在应用开 发上的深入，我们需要更深入地了解生 产菌生化代谢网络和调控机制。
参考文献
Krömer J，Sorgenfrei O，Klopprogge K，et al. In-depth profiling of lysine-producing Corynebacterium glutamicum by combined analysis of the transcriptome，metabolome, and fluxome. J Bacteriol，2004，186:1769-1784.
稳居世界第一。产品以大宗氨基酸为主， 其中谷氨酸（210万吨）、赖氨酸（85万 吨）和苏氨酸（10万吨）分别占总产量 68%、27%和3%（中国生物发酵产业协会 2013年报告）。近些年，高附加值氨基酸 产品的需求快速增长，带动了一些小品种 氨基酸和高附加值氨基酸衍生物产品的快 速发展（表1）。
虽然我国大宗氨基酸的生产技术水 平已达到国际先进水平，但其他高附加值 氨基酸产品与国外先进水平仍有不小的差 距。从我国的氨基酸生产现状分析，提升 现有氨基酸产品的生产技术水平，加快氨 基酸深层次加工和新产品开发是实现可持 续发展的必然途径。
参考文献
Bailey J E. Toward a science of metabolic engineering. Science，1991，252:1668-1675.
参考文献
Park J H，Lee K H，Kim T Y. Metabolic engineering of Escherichia coli for the production of L-valine based on transcriptome analysis and in silico gene knockout simulation. Proc Nat Acad Sci， 2007，104(19):7797-7802.
参考文献
Ikeda M，Takeno S. Amino acid production by Corynebacterium glutamicum. Corynebacterium glutamicum，2013，23:107-147.
参考文献
Eggeling L，Bott M. Handbook of Corynebacterium glutamicum. Boca Raton，USA: CRC Press，2005.
2 氨基酸代谢工程研究
氨基酸是典型的代谢控制发酵，早 期主要采用传统理化诱变手段对生产菌 株进行遗传改造。在过去几十年中，基 于理化诱变的传统的微生物育种技术在 促进氨基酸工业发展方面发挥了极其重 要作用。近二十年来，随着对微生物代 谢网络研究的深入及基因重组技术的日 趋完善，通过系统生物学的方法构建氨 基酸生产菌株已经成为国际上微生物遗 传育种的研究热点 。
参考文献
Juminaga D，Baidoo E E, Redding-Johanson A M，et al. Modular engineering of L-tyrosine production in Escherichia coli. Appl Environ Microbiol，2012，78(1):89-98.
参考文献
Santos C N，Xiao W，Stephanopoulos G. Rational，combinatorial，and genomic approaches for engineering L-tyrosine production in Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci，2012， 109(34):13538-13543.
2.2 氨基酸代谢工程育种新技术
经典的代谢工程改造以“进、通、 节、堵、出”代谢控制策略为基础，根 据氨基酸的代谢调控机制，通过关键酶 过表达、基因缺失、基因突变和基因重 组等常规的基因工程手段来构建高效氨
氨基酸衍生物
D- 氨基酸、β- 氨基酸、短肽、 均聚氨基酸
发酵法、酶法转化 化学合成
医药、食品、 材料
参考文献
Dong X，Quinn P J，Wang X. Metabolic engineering of Escherichia coli and Corynebacterium glutamicum for the production of L-threonine. Biotechnol Adv，2011， 29:11-23.
1前言
氨基酸作为生命体蛋白质的基本组 成单位，在人和动物的营养健康方面发挥 着重要的作用。目前已广泛应用于医药、 食品、饲料、保健、化妆品、农药、肥料 和制革等领域。氨基酸及其衍生物的种类 已由20世纪60年代的50余种发展到现在的 1000余种，全球每年的需求量已超过800 多万吨。
氨基酸工业是发酵工业的支柱产业之 一，当前全球氨基酸工业已发展成为一个 品种繁多、门类齐全的庞大产业群。我国 是氨基酸生产大国，2012 年我国氨基酸总 产量达到330万吨，同比增长10%，继续
参考文献
Ohnishi J，Mitsuhashi S，Hayashi M，et al. A novel methodology employing Corynebacterium glutamicum genome information to generate a new L-lysine-producing mutant. Appl Microbiol Biotechnol，2002，58:217-223.
达和调控、酶活性的反馈调节以及胞内 代谢流量变化等过程，并有许多因素参 与其中。所以研究者在应用系统生物学 技术进行代谢改造时，也必须对细胞代 谢途径或网络中的多个基因表达进行有 效的调控，同时还需考虑细胞能量、前 体、辅因子的供应以及产物的转运和进 一步代谢等多方面因素。
代谢工程包括代谢分析、代谢设计 和代谢改造三部分内容。氨基酸生产水 平的提高也对氨基酸代谢工程研究提出 了更高的要求。在当前的研究背景下， 深入的氨基酸代谢工程分析需要建立在 包括代谢网络动态调控在内的更全面的 系统生物学研究基础之上。在代谢设计 方面，需要考虑复杂代谢网络重构与优 化，强调多基因的表达优化和多因素多 途径的协同作用。在代谢改造方面，需 要发展基因组规模化定向改造技术，并
作者简介
谢希贤，理学博士，天津科技大 学生物工程学院副教授，代谢控制发酵 国家地方联合共建工程实验室主任助 理，中国氨基酸技术服务中心副秘书 长，天津微生物学会理事。主要从事氨 基酸和核苷酸代谢工程研究，新型氨基 酸产品开发。作为主要完成人获天津科 技进步奖二等奖1项，发表SCI收录论 文20余篇。
蛋白质氨基酸
芳香族氨基酸、分支链氨基酸、 精氨酸、谷氨酰胺、组氨酸、
半胱氨酸、丝氨酸
发酵法、酶法转化、 提取法
Leabharlann Baidu
饲料、医药、 食品、材料
非蛋白质氨基酸
鸟氨酸、瓜氨酸、茶氨酸、氨 发酵法、酶法转化、
基丁酸、叔亮氨酸、正缬氨酸
提取法
食品、医药
参考文献
Lee K H，Park J H，Kim T Y，et al. Systems metabolic engineering of Escherichia coli for L-threonine production. Mol Syst Biol，2007， 3:149.