透明質(zhì)酸（HA），這種被譽為天然“保濕黃金”的生物分子，在醫(yī)藥、化妝品、醫(yī)美等領(lǐng)域需求持續(xù)爆發(fā)。然而，HA 的高效生物合成及分子量精準控制是當前研究難點，主要受限于 I 型透明質(zhì)酸合酶（HAS）功能解析不足及 HA 的生物合成與細胞生長之間的代謝不平衡。

透明質(zhì)酸的分子量不同，其應(yīng)用和效果也有所不同，比如高分子量的透明質(zhì)酸因出色的保濕性和粘彈性，被廣泛用于化妝品和藥物緩釋載體；中等分子量的透明質(zhì)酸常用于眼藥水和傷口愈合；而低分子量的透明質(zhì)酸和透明質(zhì)酸寡糖則在免疫刺激、抗血管生成以及促進骨形成、血管生成和免疫調(diào)節(jié)方面效果良好。

近日，江南大學康振團隊在這一領(lǐng)域取得突破，他們在 Nature Communications 發(fā)表研究成果“Regulating cellular metabolism and morphology to achieve high-yield synthesis of hyaluronan with controllable molecular weights ”，成功實現(xiàn)了 HA 的高產(chǎn)合成，高分子量 HA（500 kDa）的滴度達到 45 g/L，低分子量 HA（10 kDa）的滴度達到 105 g/L。并將分子量調(diào)控范圍拓展至 300-1400 kDa。

本研究通過基因?qū)用娴木珳试O(shè)計，使工程菌直接合成目標分子量的 HA。研究團隊系統(tǒng)表征了來自馬鏈球菌獸疫亞種的 I 類 HAS（SzHAS），以確定參與 HA 聚合、分泌和分子量控制的關(guān)鍵區(qū)域。

通過對SzHAS 跨膜螺旋（TMH-1）的改造，不同的突變在工程菌株 C. glutamicum 中異源表達后實現(xiàn)了完整分泌 HA，以及合成不同分子量的HA；通過對 SzHAS 胞內(nèi)催化域的改造（如 Q89V/Q90G、A96W 突變），增強了 HA 的聚合。

圖 | 透明質(zhì)酸合酶的不同突變獲得的不同分子量的 HA

此外，通過動態(tài)調(diào)控 UDP-葡萄糖-6-脫氫酶(由 ugd 編碼)和 L-谷氨酰胺-D-果糖-6-磷酸氨基轉(zhuǎn)移酶(由 glmS 編碼)的表達，平衡了菌株生長和 HA 生成。

使用補料分批培養(yǎng)工藝評估了工程化的谷氨酸棒桿菌的生物合成能力，發(fā)現(xiàn)菌株 C. glutamicum CGHA-125 經(jīng)過 300 次連續(xù)傳代，在 5 L 發(fā)酵罐中 48 小時內(nèi)可生產(chǎn) 45g/L 分子量為 500 kDa 的 HA。

圖 | SzHAS 胞內(nèi)催化結(jié)構(gòu)域關(guān)鍵氨基酸位點鑒定與改造

為了滿足10-50 kDa 低分子量 HA的需求，研究團隊在發(fā)酵至 16 h 時向體系添加來源于水蛭的 HA 降解酶（LHYal）。LHYal 可特異性切割 HA 的β-1,4 糖苷鍵，將初始合成的 500 kDa 高分子量 HA 降解至目標分子量 10 kDa。這一過程在不破壞 HA 結(jié)構(gòu)的前提下，精準控制產(chǎn)物分子量，避免了傳統(tǒng)酸/堿降解導致的分子破壞和副產(chǎn)物生成，同時保證了發(fā)酵過程的連續(xù)性和生產(chǎn)效率。在消耗 380 g/ L 的葡萄糖后，低分子量 10 kDa 的 HA 的滴度、生產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率分別達到 105 g/L、1.46 g/L/h 和 27%，證明了工程菌株 C. glutamicum CGHA-125 的顯著優(yōu)越性。

在發(fā)酵過程中，研究團隊特別關(guān)注了 C. glutamicum CGHA-125 的代謝適應(yīng)性。HA 的高黏度會影響培養(yǎng)基的流動性，進而限制細胞生長和營養(yǎng)物質(zhì)的傳遞。研究團隊基于適應(yīng)性馴化策略，讓工程菌在高 HA 濃度環(huán)境中連續(xù)傳代 300 次，以篩選出耐受高黏度、代謝更高效的菌株。轉(zhuǎn)錄組分析顯示，進化后的 C. glutamicum CGHA-125 菌株在能量代謝、糖代謝、NAD? 再生等通路上發(fā)生了顯著調(diào)控，使其能夠在高黏度環(huán)境下維持活躍的代謝水平。最終，該優(yōu)化菌株在5 L 發(fā)酵罐中成功實現(xiàn)了45 g/L 的中高分子量 HA 生產(chǎn)，并通過水蛭透明質(zhì)酸酶（LHYal）降解，進一步提高了低分子量 HA 的產(chǎn)率至 105 g/L。相比傳統(tǒng)工藝，本研究提出的策略顯著提升了透明質(zhì)酸的生產(chǎn)效率，為大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

這一研究不僅推進了透明質(zhì)酸的生物制造工藝，也為其他多糖類生物材料的精準合成提供了可借鑒的策略。通過對 HAS 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、代謝平衡調(diào)控及菌株適應(yīng)性進化，研究團隊成功構(gòu)建了一種高效、安全、可規(guī)?；?/strong>的 HA 合成體系。未來，隨著合成生物學和蛋白質(zhì)工程技術(shù)的進一步發(fā)展，這一生產(chǎn)體系或?qū)⒊蔀樯锎蠓肿庸I(yè)合成的新范式，推動透明質(zhì)酸在生物醫(yī)藥、組織工程、化妝品等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

1.Hu, L., Xiao, S., Sun, J. et al. Regulating cellular metabolism and morphology to achieve high-yield synthesis of hyaluronan with controllable molecular weights. Nat Commun 16, 2076 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56950-3

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