摘要：D-泛酸，又称维生素 B5，是辅酶 A 和酰基载体蛋白的前体，广泛参与蛋白质和脂质代谢，对细胞能量转化和次级代谢物合成至关重要。动物无法自身合成，必须依赖外源补充，因此在医药、保健、化妆品和饲料等领域有广泛应用。随着市场需求持续扩大，传统化学合成因依赖氰化物等
D-泛酸，又称维生素 B5，是辅酶 A 和酰基载体蛋白的前体，广泛参与蛋白质和脂质代谢，对细胞能量转化和次级代谢物合成至关重要。动物无法自身合成，必须依赖外源补充，因此在医药、保健、化妆品和饲料等领域有广泛应用。随着市场需求持续扩大，传统化学合成因依赖氰化物等高毒试剂和昂贵的手性拆分步骤而面临环境和经济压力，亟需绿色替代方案。微生物发酵法因其清洁、高效和可持续，被认为是最具潜力的路径。
浙江工业大学郑裕国教授和柳志强教授团队在 ACS Synthetic Biology 发表综述文章“Metabolic Engineering of Microbial Chassis Cells for D-Pantothenate Production: A Review”，系统总结了利用微生物底盘细胞生产 D-泛酸的代谢工程策略，深入分析了合成途径、调控机制与关键技术，并对未来的发展方向进行了前瞻性探讨。该综述全面总结了相关代谢途径和工程化策略，为构建高效 D-泛酸细胞工厂提供了思路。
三种合成路线的比较与演变
D-泛酸的生产主要经历了化学合成、生物催化和微生物发酵三种模式。化学合成通常以泛内酯和 β-丙氨酸为底物，通过氰化物辅助的缩合反应获得产物，技术成熟但存在环境污染与高成本问题。生物催化法利用立体选择性酶催化提高 D-泛内酯的光学纯度，例如陈芬儿院士团队开发的新型化学-酶法工艺，在实验室规模实现了高达 520 g/L/d 的时空产率，产率水平显著优于传统化学工艺。然而，酶制剂稳定性和辅因子循环效率仍然限制其放大应用。
微生物发酵路线在近年来发展迅速。通过对大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和谷氨酸棒杆菌等常用底盘菌株的代谢工程改造，研究团队实现了不同层次的产量提升。报道显示，工程化大肠杆菌在补充 β-丙氨酸条件下，产量可达 97.20 g/L，接近工业化要求。相比之下，传统化学工艺不仅需要昂贵的前体，而且在环境友好性上远不及发酵法。因此，尽管工业化应用仍以化学-酶法为主，但发酵路线被认为是未来的主流发展方向。
图 | D-泛酸在大肠杆菌中的生物合成路径示意图
D-泛酸的合成模块与调控机制
D-泛酸的合成依赖两个关键前体模块。泛解酸模块起始于丙酮酸，经乙酰乳酸合酶、乙酰羟酸异构还原酶和二羟酸脱水酶催化生成 α-酮异戊酸，随后通过酮泛解酸羟甲基转移酶和还原酶转化为泛解酸。在工程化研究中，过表达来自谷氨酸棒杆菌的 panB、panC 基因，可显著提高泛解酸合成速率。β-丙氨酸模块在细菌中主要由天冬氨酸脱羧酶催化天冬氨酸生成，但其易受不可逆失活影响，成为合成效率的瓶颈。有研究表明，通过异源引入青霉菌来源的天冬氨酸脱羧酶，可以提升 β-丙氨酸水平，使 D-泛酸产量增加 30% 以上。此外，尿嘧啶降解途径在某些底盘菌中也被证实可作为 β-丙氨酸补充途径，为突破代谢瓶颈提供了思路。
代谢调控机制层面，反馈抑制和转录调控构成了主要障碍。乙酰乳酸合酶在缬氨酸浓度升高时显著受抑制，限制了泛解酸模块的通量；酮泛解酸羟甲基转移酶则在泛解酸和 D-泛酸积累后活性下降，形成双重瓶颈。实验表明，通过构建对缬氨酸不敏感的乙酰乳酸合酶突变体，可使产物浓度提高约 25%。另一方面，大肠杆菌的 ilv 操纵子在支链氨基酸浓度高时出现转录衰减，阻断其调控元件的实验结果显示，目标产量提高超过 20 g/L。这些案例表明，突破调控瓶颈是实现高产菌株的关键。
代谢工程策略与细胞工厂的构建
代谢工程改造在提升 D-泛酸产量方面发挥了决定性作用。碳流分配优化是首要策略，研究团队通过过表达丙酮酸激酶 pykAF 和苹果酸酶 maeB，成功将丙酮酸更多引导至泛解酸合成，产量提升超过 15%。在天冬氨酸合成方面，通过调控磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 ppc 的表达，使 β-丙氨酸的供给更加充足，从而提高了整体通量。
关键酶的改造是提升通量的另一核心手段。例如，构建不受反馈抑制的 KPHMT 突变体，使 D-泛酸产量在 shake flask 实验中提升 40%。对 ADC 的定点突变改造有效减缓了催化失活，使 β-丙氨酸浓度提升一倍，最终在小规模发酵中使目标产量增加至 60 g/L。此外，削减竞争代谢途径同样关键。敲除 ilvE 和 avtA 基因后，碳流更多集中于目标合成，使 D-泛酸积累水平提升约 35%。
产物转运和辅因子平衡也是不可忽视的策略。引入来源于链球菌的 panT 转运蛋白后，胞外 D-泛酸浓度明显增加，胞内反馈抑制得到缓解，使总产量提升 20% 以上。在辅因子优化中，过表达转氢酶 pntAB 以维持 NADPH 供应，使目标产量增加至 90 g/L，接近工业生产要求。
在工艺优化方面，研究团队通过响应面法优化培养基成分，并结合多阶段葡萄糖补料策略，将产量进一步推高至 97.20 g/L。这些结果表明，代谢工程与工艺控制的协同作用是推动 D-泛酸产业化的关键。
图 | 提升 D-泛酸产量的代谢工程策略总结
目前，高产菌株大多仍需外源添加 β-丙氨酸，这在成本和工艺简化方面构成主要限制。未来研究的重点是通过系统代谢工程实现完全从头合成。结合基因组尺度模型、多组学数据和人工智能算法，有望实现代谢网络的精准预测与设计，最终构建无需外源前体补充的自给型高产菌株。与此同时，蛋白质工程与动态调控技术的发展将为限速酶的稳定性和通量调节提供新途径，推动 D-泛酸生物制造进一步走向绿色与高效。
参考链接：
1.Zhu FY, Gu YY, Cai X, et al. Metabolic Engineering of Microbial Chassis Cells for d-Pantothenate Production: A Review. ACS Synth Biol. Published online September 22, 2025. doi:10.1021/acssynbio.5c00283.
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来源：生辉SciPhi
