微生物发酵法生产HA的研究

微生物发酵法生产HA的研究I.前言透明质酸（hyaluronicacid，HA），是一种由α-D-葡萄糖醛酸和β-D-葡萄糖醛酸组成的重要生物高分子，在医学、化妆品、食品和农业等领域有着广泛的应用。HA的生产方式包括化学合成、动物来源提取、细胞培养和微生物发酵等多种方法。由于化学合成会导致产物结构异构体和污染物的出现，动物来源提取存在着传染疾病的隐患，并且无法保证产物质量的一致性和纯度，而细胞培养虽然能够得到高纯度的产品，但成本较高，限制了其大规模应用。因此，微生物发酵法被认为是一种生产HA的可行方法，它具有成本低、过程简单、产量高等优点。本文主要针对微生物发酵法生产HA的研究进行综述。II.微生物发酵法生产HA的研究历程微生物发酵法生产HA在早期主要以菌株的筛选和培养条件的优化为主要手段，但由于HA的产生和分泌过程较为复杂，因此在短时间内很难得到高效产HA的菌株。一些研究者从HA的生物合成途径出发，通过基因工程手段来改造产酶菌株，提高其产HA能力，这一方法成为现代微生物发酵生产HA的主流。1.菌株筛选和培养条件研究阶段微生物发酵法生产HA在20世纪60年代已经得到了初步的成功，当时的研究着重于菌株的筛选和培养条件的优化。上世纪70年代，阿拉伯糖—对氨基苯酚法（anthroneassay）被用于HA的定量分析，开创了HA的快速、简便分析方法，为后来的研究工作提供了重要的帮助。这一时期的研究主要集中于青霉菌和链霉菌等微生物的筛选和培养条件的优化。上世纪80年代初期，英国的D.C.Wilkie等人从枯草杆菌（Bacillussubtilis）中分离得到了产HA的株系，并进行了初步的生化特性研究，该株系筛选出的HA产量约为50mg/L。此外，ihara等人从链霉菌SL30-AF1中筛选得到一株产HA有机酸转移酶的菌株，培养条件的优化总产HA可达1.8g/L，但该株菌的生长速度较慢，不适宜在大规模生产中应用。2.基因工程改造菌株在微生物发酵法生产HA的过程中，筛选出高效菌株和优化培养条件的同时，如何提高靶产物的产量也成为了研究的热点之一。通过基因工程手段改造产酶菌株，是提高HA生产效率的有效方法之一。根据HA的生物合成机制，目前主流的改造策略包括以下几点：（1）增强HA合成相关酶的表达水平HA的生物合成主要依赖于三种酶，即UDP-葡萄糖醛酸酸转移酶（UDP-GlcNAcsynthase）、UDP-葡萄糖醛酸巨环化酶（UDP-GlcNAcpolymerase）以及水解酶（hyaluronidase）。因此，进一步提高这三种酶的表达水平是提高HA产量的有效手段。在UDP-葡萄糖醛酸酸转移酶的表达方面，研究者通过优化UAImutB基因的启动子区、修改5'UTR区域等多种策略提高了青霉菌的HA合成能力。值得一提的是，HA的合成过程中会产生中间代谢物UDP-葡萄糖醛酸（UDP-GlcNAc），其浓度对HA的产量也有着直接的影响，因此研究者可以通过改造UDP-GlcNAc的生物合成途径进一步提高HA的产量。对于UDP-葡萄糖醛酸巨环化酶的表达调控，研究者通过结合多种基因工程手段，如改变启动子区、添加肽供体、敲除代谢途径等手段提高了菌株的合成水平。（2）调控直接或间接影响HA合成途径其他酶类的表达水平通过调控其他酶类的表达水平来影响HA的合成途径也是一种常见的策略。例如，通过敲除HA合成途径上的下游代谢途径相关酶类，可以抑制后续酶的产物利用，减少HA合成过程中的中间代谢物的丢失，从而提高HA的产量。III.微生物发酵法生产HA的产业现状目前，微生物发酵法生产HA已经成为一种商业化的生产方式。通常采用的生产菌株有枯草杆菌、青霉菌、葡萄球菌、乳酸菌、大肠杆菌等。例如，日本花王公司采用大肠杆菌作为生产菌株，已经建立了连续生产HA的生产线，其产量可达1.5t/a以上。另外，国内也有不少企业进行了微生物发酵法生产HA的研究和开发。例如，华东师范大学研究团队与上海博迪生物技术有限公司合作，共同研发了通过基因工程改造产酶菌株的技术路线，成功实现了乳酸菌的大规模发酵生产，产量最高可达50g/L，为国内HA生产提供了新的思路和技术支持。IV.结语微生物发酵法生产HA具有成本低