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生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2015, 31(8):44-49
L-丝氨酸（L-Serine，L-Ser）作为一种组成蛋白
的基本氨基酸广泛应用于医药、食品、化妆品等行
业。此外，以 L-Ser 为原料还能合成 20 余种具有抗
癌、抗艾滋、调节人体神经系统等不同效用的药物。
目前 L-Ser 的全球市场需求量为 10 000 t/ 年，市场
潜力巨大［1，2］。
然而，与不断增大的 L-Ser 市场需求相比，L-Ser
的生产技术却较为落后［3-5］。目前，工业上采用的
L-Ser 生产方法主要有蛋白水解法［6］、化学合成法［7］
和酶转化法［8］等，其中蛋白水解法存在工艺复杂、
分离精制困难等缺点；化学合成法存在污染重、D-Ser
与 L-Ser 分离困难等缺点 ；酶转化法是目前国际上普
遍采用的方法，具有反应过程简单、副反应少、生
产效率高等优点，但仍存在转化率偏低、前体物（甘
氨酸等）昂贵等难题。因此尽快开发污染小、成本
低、效率高的微生物直接发酵法生产 L-Ser，显得极
为重要。值得注意的是，由于微生物合成 L-Ser 的
代谢网络复杂，特别是存在众多的 L-Ser 向其他氨
收稿日期 ：2014-10-20
基金项目 ：国家自然科学基金青年科学基金项目（31300048）
作者简介 ：刘岩，女，硕士研究生，研究方向 ：微生物基因工程 ；E-mail ：liuyan880319@126.com
通讯作者 ：丛丽娜，女，博士，研究方向 ：微生物基因工程 ；E-mail ：linacong@163.com
微生物法生产 L-丝氨酸代谢工程研究进展
刘岩1，2  王慧2  史吉平2  赵志军2  丛丽娜1
（1. 大连工业大学生物工程学院，大连 116034 ；2. 中国科学院上海高等研究院 生物炼制实验室，上海 201210）
摘 要 ： L-丝氨酸是生物体内一种重要的中间代谢产物，为甘氨酸等多种氨基酸、核苷酸、胆碱、磷脂的合成前体，现已
广泛应用于医药、食品、化妆品等领域。L-丝氨酸的生产方法有蛋白质水解提取法、化学合成法、转化法及微生物发酵法，其中
微生物发酵法具有原料廉价、环境污染小、产物纯度高等优点。系统综述了微生物发酵法生产 L-丝氨酸所涉及的代谢工程策略，
包括微生物合成 L-丝氨酸的各种代谢调控机制及相应采取的改造措施和效果，并探讨了 L-丝氨酸育种技术未来的发展趋势。
关键词 ： L-丝氨酸 ；代谢工程 ；微生物发酵法
DOI ：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.08.007
Research Progress on Metabolic Engineering for Microbial
Production of L-serine
Liu Yan1，2 Wang Hui2 Shi Jiping2 Zhao Zhijun2 Cong Li’na1
（1. School of Biological Engineering，Dalian Polytechnic University，Dalian 116034 ；2. Lab of Biorefinery，Shanghai Advanced Research
Institute，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 201210）
Abstract ： L-serine is an important intermediate metabolite as a metabolic precursor to L-glycine and many other amino acids,
nucleotides, choline, and phospholipids in organisms, and it has been widely used in medicine, food, cosmetics and other industries. The methods
of producing L-serine include protein hydrolysis, chemical synthesis, enzymatic/microbial conversion and microbial fermentation, among which
microbial fermentation has some advantages such as low cost of raw material, less environmental pollution, and high purity of product, etc. The
strategies of metabolic engineering for improving L-serine production are reviewed, including the regulatory mechanisms and genetic modification
of L-serine biosynthesis, as well the modified measures and subsequent effects. Furthermore, the prospect of L-serine breeding technologies is
also discussed.
Key words ： L-serine ； metabolic engineering ； microbial fermentation
2015,31(8) 45刘岩等：微生物法生产 L-丝氨酸代谢工程研究进展
基酸的转化途径，导致 L-Ser 在体内很难得到积累。
本文系统综述了微生物发酵法生产 L-Ser 所涉及的
代谢工程策略，并探讨了其未来发展的趋势。
1 L-丝氨酸的微生物合成机制
1.1 微生物合成L-丝氨酸的代谢途径
目 前 用 于 生 产 L-Ser 的 微 生物 种 类 主 要 有 大
肠 杆 菌 和 谷 氨 酸 棒 杆 菌， 两 种 微 生 物 的 L-Ser 合
成代谢机制基本相同，以大肠杆菌为例，起始物
葡萄糖经糖酵解（EMP）途径中的 3- 磷酸甘油酸
（3-Phosphoglycerate，3-PG） 进 入 L-Ser 分 支 途 径 ；
在 L-Ser 分 支 途 径 中，3-PG 经 磷 酸 甘 油 酸 脱 氢 酶
（SerA）催化合成 3- 磷酸 - 羟基丙酮酸（3-phosphon-
ooxypyruvate，3-PHP），再途经中间产物 3- 磷酸丝氨
酸（3-phosphoserine，Ser-P） 后 合 成 L-Ser ；此 外，
中间产物 Ser-P 的合成还需要 L-谷氨酸（L-glutamate，
L-Glu）作为前体物提供氨基（图 1）。
1.2 微生物合成L-丝氨酸的调控机制
微生物通过各种调控机制控制体内 L-Ser 的合
成代谢。
1.2.1 限速酶的反馈抑制 在 L-Ser 分支途径中，催
化 3- 磷酸 - 羟基丙酮酸（3-PHP）合成的磷酸甘油
酸 脱 氢 酶（phosphoglycerate dehydrogenase，PGDH）
受到 L-Ser 的严格反馈调控，当胞内的 L-Ser 浓度达
到 30 μmol/L 时，PGDH 的残留酶活仅有不含 L-Ser
时 的 15%-17%［9］， 控 制 着 由 EMP 途 径 进 入 L-Ser
分支途径的碳流量。
1.2.2 降解转化途径调控 尽管 L-Ser 的主要合成
途径较为简短，但值得注意的是，微生物体内存在
L-Ser 降解途径及转化为多种其他氨基酸的途径，如
L-Ser 经丝氨酸脱水酶（L-serine dehydratase，L-serDH）
催 化 可 降 解 为 丙 酮 酸（Pyruvate，PYR）；经 丝 氨
酸 羟 甲 基 转 移 酶（Serine hydroxymethyltransferase，
SHMT）催化生成 L-甘氨酸（L-glycine，L-Gly），然
后 L-Gly 经酶催化又可以进一步转化为 L-苏氨酸
（L-threonine，L-Thr） 和 L-异 亮 氨 酸（L-isoleucine，
L-Ile）等氨基酸。此外，在相关酶的催化作用下 L-Ser
还参与 L-半胱氨酸（L-cysteine，L-Cys）和 L-色氨
酸（L-tryptophan，L-Trp）的合成反应。因此，胞内
L-Ser 极易转化为其他的氨基酸或化合物，导致其积
累困难（图 2）。
glyA
trpAB
sdaA,sdaB,
tdcB,tdcG,
ilvA
PTS
F6P
1,3-PG
3-PG
Ser-P
pgk
G6P
GA3P
L-Ser
serA
L-Serex
Glcex
PYR
serC
serB
3-PHP
L-Gly
HMP
Pathway
TCA
Cycle
L-Trp
L-Glu
虚线表示反馈抑制 ；Glc ：葡萄糖 ；PTS ：磷酸葡萄糖转移酶系统 ；G6P ：葡
萄糖 -6- 磷酸 ；F6P ：果糖 -6- 磷酸 ；GA3P ：甘油醛 -3- 磷酸 ；1，3-PG ：1,3-
二磷酸甘油酸；3-PG：3- 磷酸甘油酸；3-PHP：3- 磷酸 - 羟基丙酮酸；Ser-P：3-
磷酸丝氨酸 ；L-Ser ：L- 丝氨酸 ；L-Gly ：L- 甘氨酸 ；L-Trp ：L-ser 色氨酸 ；
PYR ：丙 酮 酸。 图 1 根 据 KEGG 网 站（http://www.genome.jp/kegg/pathway.
html）上的大肠杆菌 MG1655 和谷氨酸棒杆菌 ATCC13032 的丝氨酸代谢网
络信息绘制而成
图 1 微生物产 L-丝氨酸的合成途径及相关调控
PYR ：丙酮酸 ；L-Ser ：L- 丝氨酸 ；L-Gly ：L- 甘氨酸 ；L-Thr ：L- 苏氨酸 ；L-Val ：
L- 缬氨酸 ；L-Leu ：L- 亮氨酸 ；L-Ile ：L- 异亮氨酸 ；L-Trp ：L- 色氨酸。图
2 是 根 据 KEGG 网 站（http://www.genome.jp/kegg/pathway.html） 上 大 肠 杆 菌
MG1655 和谷氨酸棒杆菌 ATCC13032 的丝氨酸代谢网络信息绘制而成
图 2 大肠杆菌 / 谷氨酸棒杆菌 L-丝氨酸的降解转化途径示
意图
L-Gly
glyA
L-Thr
ltaE
PYR
tdcB,ilvA
sdaA, sdaB, tdcG
L-Ser L-Ile
trpAB
L-Trp
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.846
1.2.3 转运途径调控 在微生物体内，许多氨基酸
的分泌与吸收依靠特定的转运系统来完成。目前
L-Ser 转运系统的研究仍处于初级阶段，仅依靠生
理生化特征发现数个与 L-Ser 转运相关的蛋白，例
如大肠杆菌中，转运蛋白 CycA 属于生物体内负
责转运氨基酸、多胺及金属阳离子有机物（Amino
acid-polyamine-organocation，APC） 超 家 族 的 成 员，
其主要负责丙氨酸由培养液中转运至细胞内，但研
究发现 CycA 同时也参与调控菌体对 L-Ser 和 L-Gly
的 吸 收［10］；来 源 于 DAACS［Cation（Na+ or H+）
Symporter family］家族的 SstT 同时调控 L-Thr 和 L-Ser
的吸收［11］；而透酶 TdcC 主要负责 L-Thr 的吸收，
但竞争实验表明其也参与丝氨酸的吸收转运。另
外，蛋白 TdcC 仅在厌氧条件下参与调控 L-Ser 的吸
收［12，13］。目前的文献报道中，仅转运蛋白 SdaC 被认
为是专一性调控 L-Ser 吸收［14，15］。此外，对于 L-Ser
的分泌转运系统，目前仅研究发现负责 L-Thr 分泌
的转运蛋白 ThrE 同时也参与调控 L-Ser 的分泌［16］。
2 应用代谢工程改造 L-丝氨酸合成途径
目前微生物产 L-Ser 的代谢工程研究策略主要
有 ：抗反馈抑制作用酶的筛选、合成 L-Ser 关键酶
的过量表达，L-Ser 降解转化途径的改造和 L-Ser 转
运途径的改造等（图 3）。
2.1 L-Ser分支途径的改造
L-Ser 分支途径的改造主要包括关键酶磷酸甘
油酸脱氢酶抗反馈抑制突变体的筛选以及系列关键
酶基因的克隆表达。抗反馈抑制作用突变体的获得
是微生物积累 L-Ser 的先决条件。随着 DNA 重组技
术的发展，近年来通过解析磷酸甘油酸脱氢酶蛋白
SerA 的三维晶体结构，定向突变与其效应物 L-Ser
结合的关键氨基酸残基，从而获得了一系列抗反馈
调节的磷酸甘油酸脱氢酶突变体 SerAFbr（Feedback-
inhibition-resistant，Fbr）［17-19］。例如，大肠杆菌 SerA
的调控域位于蛋白的 C 末端，研究发现完全去除蛋
白的调控域（氨基酸残基 337-410），可获得抗反馈
调节的 SerAFbr，但同时酶蛋白由四聚体转变为二聚
体［17］；而 Grant 等［18］仅将 SerA 调控域中与 L-Ser
结合的关键氨基酸残基 H344 和 N346 突变为丙氨
酸（L-alanine，L-Ala），同样解除了 L-Ser 的反馈调
控作用。在谷氨酸棒杆菌中，Peters-Wendisch 等［20］
通过缺失 SerA 蛋白末端 197 个氨基酸残基获得了抗
反馈调节的突变株 SerAFbr。
L-Ser 分支途径的改造还涉及抗反馈调节作用
酶 SerAFbr 和其他关键酶编码基因（serC、SerB、pgk）
的克隆表达，从而增强该途径的碳源流量。例如，
在 谷 氨 酸 棒 杆 菌 中 过 量 共 表 达 基 因 serAfbr serC 和
serB［21］；在大肠杆菌中 serAfbr 的重组表达及其与催
化 3-PG 合成的酶蛋白基因 pgk 的共表达［22］。
L-Glu
trpAB
sdaA,sdaB,
tdcB,tdcG,
ilvA
PTS
F6P
1,3-PG
3-PG
Ser-P
pgk
G6P
GA3P
L-Ser
serAFbr
L-Serex
Glcex
PYR
serC
serB
3-PHP
L-Gly
glyA
HMP
Pathway
TCA
Cycle
L-Trp
thrE cycA, sstT,
tdcC, sdcB
虚线表示反馈抑制（但此处 L.-Ser 到 serA 的反馈抑制的虚线没有画出来）；
缩写参照图 1
图 3 微生物产 L-丝氨酸的代谢工程研究策略
2.2 L-Ser降解转化途径的改造
与终端氨基酸不同，L-Ser 处于微生物合成代谢
的中间环节，在细胞内 L-Ser 瞬间被降解为 PYR 或
转化为 L-Gly、L-Thr、L-Trp 和 L-Cys 等其他氨基酸，
导致其难以积累 ；且 L-Gly 等转化氨基酸作为一碳
单元直接参与菌体的生长，直接切断这些途径会严
重影响微生物的生长。因此转化途径的改造是 L-Ser
2015,31(8) 47刘岩等：微生物法生产 L-丝氨酸代谢工程研究进展
育种研究的重点和难点。
Peters-Wendisch 等［21］ 单 独 敲 除 菌 株 ATCC
13032 基因组上催化 L-Ser 向 PYR 转化的丝氨酸脱
水酶 L-serDH 编码基因 sdaA，菌株可积累 8.4×10-3g/L
的 L-Ser ；在共表达基因 serAFbrBC 的基础上，敲除
基因 sdaA，菌株可积累 4.6×10-2g/L 的 L-Ser ；而进
一步降低催化 L-Ser 向 L-Gly 转化的丝氨酸羟甲基转
移酶 SHMT 编码基因 glyA 的表达强度后，L-Ser 的
积累量快速提高至 9.03 g/L ；由于在四氢叶酸的参与
下 L-Ser 才能转化为 L-Gly，因此 Stolz 等［3］进一步
敲除了四氢叶酸前体物叶酸的关键酶基因 pabABC，
L-Ser 产量提高至 36.3 g/L，这是目前文献报道的直
接发酵法产 L-Ser 的最高产量。国内来书娟等［22］在
共表达 SerAFbr 和 pgk 的基础上，敲除了菌株 ATCC
13032 基因组上的 sdaA 基因和丝氨酸羟甲基转移酶
SHMT 的调控基因 glyR，菌株可积累 4.5×10-2g/L 的
L-Ser。在大肠杆菌方面，Li 等［23］在基因组上同时
敲除了催化 L-Ser 向 PYR 转化的 3 个相关基因 sdaA、
sdaB 和 tdcG，当在此菌株中过量表达 SerAFbr 时，可
积累 L-Ser 13.6×10-3g/g 细胞干重。
2.3 L-Ser转运途径的改造
转运途径改造是氨基酸育种研究的一个重要手
段，通过提高胞内氨基酸的分泌速率或者降低胞外
氨基酸的吸收速率，均可以有效促进氨基酸在胞外
的积累。尽管目前 L-Ser 的转运系统研究仍处于生
化与分子鉴定的阶段，但相关文献的研究结果仍显
示出 L-Ser 转运系统的重要性。如 Ogawa 等［13］在大
肠杆菌中缺失突变了 L-Ser 的吸收转运基因 sstT，发
现该菌株无法在以 L-Ser 为唯一碳源的培养基中生
长，但当在该菌株中过量表达另外一个 L-Ser 吸收转
运基因 tdcC 时，菌体的生长得以恢复。此外，Simic
等［16］发现当在谷氨酸棒杆菌中过量表达分泌转运
基因 thrE 时，L-Ser 分泌速度与野生型相比提高了
36% ；而当在谷氨酸棒杆菌中缺失突变基因 thrE 时，
L-Ser 分泌速度与野生型相比降低了 57%。
2.4 L-Ser合成代谢的发酵调控
微生物培养基组分以及培养环境条件的变化均
会引起微生物合成代谢的变化，从而直接或间接调
控着胞内 L-Ser 的合成代谢，因此针对性地优化发
酵条件同样是改善 L-Ser 合成代谢的重要措施。例
如张晓娟等［24］考察了维生素对谷氨酸棒杆菌产 L-
丝氨酸的影响，结果表明添加 450 μg/L 的 VB1 时，
菌体 L-Ser 的积累量提高了 28% ；而添加 0.4 μg/L 的
VB12 时，菌体 L-Ser 的积累量提高了 82%。此外，
魏东等［25］对一株诱变改良过的黄色短杆菌进行碳
氮源优化，L-Ser 产量提高了 84%，达到 30.1 g/L。
3 展望
综上所述，目前国内外学者已经在代谢工程改
造 L-Ser 合成代谢的研究中进行了大量的工作并取
得了一些重要的研究成果。然而，借鉴近年来代谢
工程策略在 L-缬氨酸（L-valine，L-Val）［26，27］、L-
异 亮 氨 酸（L-isoleucine，L-Ile）［28，29］ 和 L-色 氨 酸
（L-tryptophan，L-Trp）［30，31］等氨基酸菌种选育研究
中的成功应用，目前 L-Ser 的代谢工程研究仍存在
一些不足之处。
目前国内外学者仅根据已有的信息或经验对
L-Ser 分支途径及 L-Ser 降解转化途径进行分子改
造，而相关文献表明除合成途径外，目标氨基酸
转运途径、EMP 及 HMP 途径，甚至全局调控因子
等的定向改造同样有利于目标氨基酸的积累。如
Wiriyathanawudhiwong 等［32］ 过 量 表 达 L-半 胱 氨 酸
（L-cysteine，L-Cys）的分泌蛋白 TolC 后，培养液中
L-Cys 的积累量提高 1 倍以上 ；Zhao 等［31］将色氨
酸吸收的转运基因 mtr 和 tnaB 敲除后，L-Trp 产量
提高 27% ；而 Tatarko 等［33］通过敲除全局调控因子
csrA，明显增加了 L-苯丙氨酸分支途径的碳源流量。
此外，微生物合成氨基酸是一个复杂的代谢调
控过程，当一个限速因子被消除时，合成代谢中往
往就会次生出一些新的限速因子［34］，因此在根据已
有信息进行分子改造后，对合成代谢进行全局性的
分析，加深对 L-Ser 合成代谢调控机制的理解，以及
确定次生出的限速因子等，对进一步有效改造 L-Ser
合成代谢，选育优良 L-Ser 生产菌株显得尤为重要。
令人鼓舞的是随着系统生物学的发展，人们已经可
以从基因转录、蛋白质表达、代谢产物浓度 3 个层
次上对微生物体内目标产物的合成代谢进行全局立
体式的分析，且这些技术已经成功应用于其他工业
微生物菌种的选育研究中［35-37］。Lee 等［35］对 L-Thr
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.848
生产菌株进行转录组学分析发现，与乙醛酸循环相
关的基因 aceBA 的转录水平异常上调，通过分子手
段进一步增强 aceBA 的表达水平后，L-Thr 产量提
高 30%。 赵 志 军［36］ 研 究 3 种 基 因 型 △ trpR.tnaA、
△ trpR.tnaA.pheA 和△ trpR.tnaA.pheA.mtr 下大肠杆菌
L-Trp 合成代谢网络中代谢中间产物的浓度变化规律
发现，赤藓糖 -4- 磷酸和 L-Ser 的浓度远低于相应分
支途径中其他代谢中间产物的浓度，推测赤藓糖 -4-
磷酸和 L-Ser 为 L-Trp 合成的潜在限速节点。Yin 等［37］
对诱变产 L-Ile 的谷氨酸棒杆 JHI3-156 进行蛋白质
组学分析发现，表达水平变化较大的蛋白 ：MetX、
PrpC2 和 Sod 等均不在 L-异亮氨酸的合成途径上，
表明 L-Ile 的高产原因并非通过增强关键酶的表达来
实现，可能存在其他的调控机制。
综上所述，为了进一步提高发酵法生产 L-Ser 的
效率，今后 L-Ser 代谢工程研究的工作重点在于（1）
采用分子手段，在保证菌体正常生长代谢的情况下，
进一步降低丝氨酸羟甲基转移酶 SHMT 的酶活，减
少 L-Ser 向 L-Gly 的转化量，促进 L-Ser 在胞内的积
累 ；（2）L-Ser 转运系统的分子鉴定以及通过缺失
L-Ser 吸收转运蛋白的编码基因或过量表达 L-Ser 分
泌转运蛋白的编码基因，增加发酵培养液中 L-Ser
的积累效率 ；（3）通过组学分析技术探寻 L-Ser 合
成代谢中的潜在限速因子，并采取针对性的分子改
造措施加以消除 ；（4）分子改造磷酸葡萄糖转移酶
系统（PTS）和乙酸合成途径，调控菌株对葡萄糖的
吸收速率，减少副产物乙酸等的积累，进而提高 L-Ser
的转化得率 ；（5）进一步从底物及其他营养因子的
流加方式、发酵温度等方面优化 L-Ser 基因工程菌的
发酵条件，实现 L-Ser 的高密度高效发酵，提高 L-Ser
的生产强度。
总之，巨大的市场潜力已经为 L-Ser 育种技术
的发展提供了源源不断的动力，而 DNA 重组技术以
及转录组学、代谢组学等代谢分析技术的不断进步，
必然会加速推进微生物产 L-丝氨酸的代谢工程研究。
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（责任编辑 狄艳红）