L-蛋氨酸是人体和动物所必须的唯一含硫氨基酸，在医药、食品、饲料等领域具有广泛应用，其绿色高效合成受到了广泛关注。目前，L-蛋氨酸的主流合成方法为化学法，但是过程中使用氢氰酸等有毒物质，反应条件苛刻，三废排放大，越来越不满足先进工业的要求。而构建微生物细胞工厂直接进行发酵生产，需要一碳单位和硫源的供给，代谢途径受到多层次严格调控，目前难以实现工业化。“发酵-酶催化”偶联路线是L-蛋氨酸合成的重要方法，以葡萄糖为底物，发酵生产前体O-琥珀酰-L-高丝氨酸（OSH），进一步在O-琥珀酰-L-高丝氨酸巯基转移酶（MetZ）作用下与甲硫醇反应合成L-甲硫氨酸，原子经济性高、三废排放少，具有重要应用前景。

浙江工业大学生物工程学院郑裕国院士团队长期致力于生物制造工程技术创新，聚焦医药、农药、食品营养等生物产品的工程技术创新及产业化技术开发，形成了以生物工程技术为核心，融合有机合成、化学工程原理和方法的生物有机合成技术体系。在本研究中，综合运用合成生物学与生物催化转化关键技术，建立了“发酵-酶催化”偶联高效合成L-蛋氨酸的技术路线（图1）。

图1 “发酵-酶催化”偶联高效合成L-蛋氨酸的技术路线图

通过构建OSH高效细胞工厂，建立微生物适应性进化和基于拉曼在线监测发酵模型的发酵过程调控策略，实现OSH产量达120 g/L，糖酸转化率达60%以上。进一步建立MetZ催化性能调控方法，通过计算机辅助设计，明确底物/产物进出关键通道以及构成氧负离子洞的功能片段和关键氨基酸残基（图2），构建突变文库并基于高通量筛选新策略，获得了催化性能显著提升的有益突变体，全细胞酶活达648 U/g WCW，纯酶酶活达17.5/mg，并进一步明确了影响Met突变体催化性能的关键分子机制（图3、图4）。

图2 MetZ底物/产物进出通道及形成氧负离子洞的功能片段和关键残基图3 MetZ野生型（A）和突变体（B）催化过程酶-PLP中间体对底物亲核进攻距离对比

图3 MetZ野生型（A）和突变体（B）催化过程酶-PLP中间体对底物亲核进攻距离对比

图4 MetZ野生型（A）和突变体（B）表面静电势能对比

在此基础上，通过甲硫醇钠分批补料策略，解除了底物对酶的抑制作用，实现对发酵产物OSH的完全转化。目前，该“发酵-酶催化”偶联合成L-蛋氨酸的技术路线已经完成了吨级中试，将进一步推进其产业化。

部分研究成果以“Engineering O-Succinyl-L-Homoserine Mercaptotransferase for Efficient L-Methionine Biosynthesis by Fermentation-Enzymatic Coupling Route”为题发表在《Advanced Synthesis & Catalysis》。郑裕国院士团队副教授汤晓玲为论文第一作者，柳志强教授为通讯作者。本研究得到国家重点研发计划项目（2018YFA0901400）的支持。

论文信息：Xiao-Ling Tang,Ning Li,Yan-Lai Liu,Jing-Peng Li,Kai-Xuan Zhao,Zhi-Qiang Liu & Yu-Guo Zheng，“Engineering O-Succinyl-L-Homoserine Mercaptotransferase for Efficient L-Methionine Biosynthesis by Fermentation-Enzymatic Coupling Route”，Advanced Synthesis & Catalysis，2023，doi.org/10.1002/adsc.202300030。

论文链接：http://dx.doi.org/10.1002/adsc.202300030