尿囊素(Allantoin)是嘌呤分解途径衍生的杂环氮类化合物，它是一种重要的精细化学品，在制药、化妆品和农业等领域被广泛的应用。目前尿囊素生产主要通过植物提取或化学合成，尚未有通过微生物合成生产尿囊素的报道。近日，北京化工大学袁其朋团队首次实现在大肠杆菌中合成尿囊素，文章发表于Biotechnology and Bioengineering题为：Biosynthesis of allantoin in Escherichia coli via screening a highly effective urate oxidase。
通过文献调研，研究者发现尿酸氧化酶具有催化尿酸盐生成尿囊素的潜力，并筛选出了大肠杆菌内酶活性最高的产阮假丝酵母来源尿酸氧化酶CUpucL；已报道恶臭假单胞菌黄嘌呤脱氢酶系可催化次黄嘌呤生成黄嘌呤和尿酸盐，为提高尿酸盐产量，研究者通过同源比对，筛选出不同来源黄嘌呤脱氢酶系进行测试，结果表明恶臭假单胞菌黄嘌呤脱氢酶系XdhABC在大肠杆菌中活性最高，并通过双质粒将产阮假丝酵母CUpucL和恶臭假单胞菌XdhABC引入大肠杆菌BW25113 (F′)构建菌株ZFJ16，72h可产尿囊素13.9mg/L。高效液相色谱结果表明，ZFJ16菌株产尿囊素过程中无中间代谢产物积累，研究者推测可能为前提供应不足所导致。
次黄嘌呤的前体为5-磷酸核糖-1-焦磷酸(5‐phosphoribose‐1‐pyrophosphate, PRPP)，其为磷酸戊糖途径的产物。研究者通过敲除6-磷酸葡萄糖异构酶编码基因、丙酮酸激酶I、II编码基因、葡萄糖特异性转运蛋白EIICB编码基因弱化糖酵解途径增加进入磷酸戊糖途径的代谢通量，并通过敲除PRPP代谢旁路基因hpt, gpt, apt使更多PRPP用于次黄嘌呤合成构建了最终菌株ZFJ28，经测试ZFJ28摇瓶发酵72 h可产尿囊素639.8 mg/L，1L发酵罐分批补料发酵120h产尿囊素2360mg/L，转化率为0.006 g/g葡萄糖。
综上，研究者证明产朊假丝酵母来源尿酸氧化酶CUpucL和恶臭假单胞菌黄嘌呤脱氢酶系XdhABC共转可赋予大肠杆菌产尿囊素的能力，并进一步通过弱化糖酵解途径增加磷酸戊糖途径代谢通量、敲除PRPP代谢旁路来增加PRPP供应，首次在大肠杆菌中实现尿囊素合成，1L发酵罐分批补料发酵120h产尿囊素2360mg/L，转化率为0.006 g/g葡萄糖。
（石国龙 摘译）
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