本研究发表在 Nature Biotechnology 杂志，doi为10.1038/s41587-024-02267-3。本文的通讯作者是来自华东理工大学的陈海宏、王耀宏等，发表日期为2024年4月26日。文章研究了通过代谢工程和生物催化进行高产叶绿素的生产。

研究背景

叶绿素及其衍生物在医学、食品、能源和材料领域具有广泛应用，但高效生产这些化合物面临巨大挑战。研究人员利用紫色非硫光合细菌 Rhodobacter sphaeroides 作为有效的细胞工厂，并通过酶催化结合代谢工程来生产叶绿素化合物。

研究过程

流程设计

研究流程包括基因编辑、发酵促进、代谢调节与酶催化等步骤。

基因编辑

研究团队通过基因组范围的CRISPRi筛选在 R. sphaeroides 中发现目标基因heMN，这为改善coproporphyrin III（CPIII）生产提供了可能。

发酵促进

通过对PrrAB两组分系统的时间调控和联批发酵策略的应用，实现了高浓度的CPIII产量，达到16.5克/升。

代谢调节

研究了调控代谢途径，并且通过改编激活系统和全球厌氧调节器FnRL的研究，进一步提高CPIII生产。

酶催化

经过筛选和工程优化了高活性金属螯合酶和copro血红素脱羧酶，从而在5升生物反应器中通过酶催化合成了各种金属卟啉，包括血红素和抗肿瘤剂zincphyrin。

主要结果

CPIII的生产量在联批发酵中得到了显著提高，而通过后续的酶催化，成功实现了多种金属卟啉的合成。在200升的中试规模发酵和建立CPIII纯化过程后，通过5升生物反应器规模酶催化生产了heme和zincphyrin。

结论

本研究为高产卟啉及其相关化合物的生物制造提供了一条新的途径，既展示了大规模生产的潜力，也突显了工程细胞工厂结合体外酶催化在实际应用中的经济可行性。

研究意义

这一创新方法将有助于在环保且高效的前提下大规模生产血红素和其他有价值的卟啉化合物，进而推动医药、食品添加剂乃至合成肉等相关产业的发展。

特别说明

本研究采用了CRISPR干扰（CRISPRi）方法和高通量筛选技术，这两项技术为微生物细胞工厂的进一步开发与优化奠定了基础。同时，本研究提出的通过技术经济分析评估工业潜力和财务可行性，为卟啉生产领域提供了新的风向标。