微生物发酵产磷脂酰丝氨酸的代谢调控：前体物质添加策略

磷脂酰丝氨酸（Phosphatidylserine, PS）是一种含丝氨酸的酸性磷脂，广泛应用于食品、医药、保健品领域，其核心生理功能包括改善认知功能、调节神经递质释放。微生物发酵法因原料绿色、产物安全性高，成为替代传统动物组织提取法的主流技术。前体物质添加是微生物发酵产磷脂酰丝氨酸的关键代谢调控手段，通过定向补充合成途径的关键前体，可显著提升它的合成通量与产量。以下从磷脂酰丝氨酸的微生物合成途径、核心前体物质类型、添加策略及优化方向展开系统阐述。

一、微生物合成磷脂酰丝氨酸的核心代谢途径

微生物（如酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae、谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum、毕赤酵母 Pichia pastoris）合成磷脂酰丝氨酸的途径高度保守，主要分为磷脂酰胆碱（PC）转化途径与从头合成途径，二者均依赖关键前体的供给：

PC转化途径（主导途径）

微生物细胞膜中含量丰富的PC，在磷脂酰丝氨酸合酶（PSS） 催化下，与L-丝氨酸发生碱基交换反应生成磷脂酰丝氨酸，同时释放胆碱。该途径的核心限制因素是L-丝氨酸的胞内浓度与PSS 酶活性，前体添加的核心目标之一是提升胞内L-丝氨酸供给。

从头合成途径

以甘油-3-磷酸、脂肪酸、丝氨酸为起始前体，依次经酰基化、磷酸化、碱基结合反应生成 PS。该途径涉及的前体包括甘油-3-磷酸、乙酰辅酶A、L-丝氨酸，其中甘油-3-磷酸的供给直接决定磷脂骨架的合成效率。

两种途径的代谢流交汇于磷脂酸（PA） 节点，PA 既是细胞膜磷脂合成的核心前体，也是磷脂酰丝氨酸合成的关键中间体。前体物质添加需靶向这两条途径的限速步骤，实现代谢流向其定向富集。

二、核心前体物质类型及添加机制

微生物发酵产磷脂酰丝氨酸的前体物质可分为氨基酸类前体、脂类前体、辅因子类前体三大类，不同前体通过调控不同代谢节点提升它的产量，具体作用机制如下：

1. 氨基酸类前体：L-丝氨酸（核心前体）

L-丝氨酸是磷脂酰丝氨酸分子中极性头部的直接供体，也是PC-PSS途径的唯一碱基底物，其胞内浓度是其合成的首要限制因子。

添加机制

（1）直接提升底物浓度：外源添加L-丝氨酸可通过微生物细胞膜上的氨基酸转运蛋白（如酵母中的 Serp 透性酶）进入胞内，直接为PSS酶提供底物，推动PC向磷脂酰丝氨酸的转化；

（2）解除反馈抑制：微生物自身合成L-丝氨酸的途径受终产物反馈抑制（如磷酸甘油酸脱氢酶受L-丝氨酸抑制），外源添加可减少菌体自身合成压力，同时避免胞内L-丝氨酸过度积累引发的代谢紊乱；

（3）调控PSS酶活性：适量L-丝氨酸可诱导PSS编码基因（如酵母中的CHO1基因）的表达，提升PSS酶的合成量与催化效率。

添加策略要点

（1）浓度优化：L-丝氨酸的适宜添加浓度为 5~20g/L，过低无法满足底物需求，过高则会导致渗透压升高、菌体生长受抑；

（2）分批补加：采用“初始少量添加+发酵中期分批补料”模式，避免一次性添加导致的底物降解与代谢溢流；例如在酿酒酵母发酵中，于对数生长期（发酵12~24h）补加L-丝氨酸，可使磷脂酰丝氨酸产量提升30%~50%；

（3）协同pH调控：L-丝氨酸在酸性条件下稳定性更高，发酵体系pH控制在5.5~6.5，可减少其脱氨基降解。

2. 脂类前体：甘油、脂肪酸及磷脂前体

脂类前体靶向磷脂酰丝氨酸 的疏水骨架合成，为磷脂分子提供甘油骨架与脂肪酸链，核心包括甘油、脂肪酸、磷脂酸（PA）等。

甘油添加机制与策略甘油是甘油-3-磷酸的直接前体，而甘油-3-磷酸是磷脂从头合成的起始物质。外源添加甘油可通过以下途径提升磷脂酰丝氨酸的产量：（1）甘油经甘油激酶催化生成甘油-3-磷酸，直接进入磷脂合成途径，增加PA的合成通量；（2）甘油可作为碳源补充，缓解葡萄糖代谢压力，避免因碳源过量导致的菌体过度生长与磷脂酰丝氨酸合成竞争。添加要点：适宜的添加浓度为2~8g/L，与葡萄糖按1:3的比例混合碳源，可实现菌体生长与其合成的平衡；在发酵后期补加甘油，可延长磷脂酰丝氨酸的合成期，减少副产物积累。

脂肪酸添加机制与策略脂肪酸是磷脂酰丝氨酸疏水链的组成部分，常见添加类型包括棕榈酸、油酸、亚油酸（微生物自身合成的主要脂肪酸种类）。（1）外源脂肪酸可直接结合到甘油-3-磷酸骨架上，生成磷脂酸，缩短从头合成途径的反应步骤；（2）不饱和脂肪酸（如油酸）可提升细胞膜的流动性，促进磷脂酰丝氨酸的胞外分泌，减少胞内产物反馈抑制。添加要点：脂肪酸添加浓度为0.5~2g/L，需与吐温80等表面活性剂联用，提升其水溶性与菌体吸收效率；优先选择微生物自身合成能力较弱的不饱和脂肪酸，避免饱和脂肪酸过量导致的细胞膜刚性增加。

磷脂酸（PA）添加机制与策略PA是磷脂合成的核心中间体，外源添加PA可直接跨越甘油-3-磷酸酰基化的限速步骤，定向流向磷脂酰丝氨酸合成。添加要点：PA水溶性差，需采用脂质体包埋技术提升生物利用度；添加浓度为0.1~0.5g/L，于对数生长期后期添加，可显著提升它的合成速率。

3. 辅因子类前体：ATP、镁离子、维生素

磷脂酰丝氨酸合成过程（如PSS催化的碱基交换反应、甘油-3-磷酸的磷酸化反应）需要多种辅因子参与，辅因子类前体的添加可提升关键酶的催化活性，保障代谢途径顺畅。

ATP与腺苷酸：ATP是磷脂合成途径的能量供体，外源添加ATP（0.1~0.3g/L）或腺苷酸前体（如腺苷、AMP），可缓解胞内能量不足问题，尤其在高密度发酵中效果显著；

镁离子（Mg²⁺）：Mg²⁺是PSS酶、甘油激酶的激活剂，同时参与ATP的磷酸基团转移反应，添加浓度为0.5~1mmol/L，可使PSS酶活性提升20%~30%；

维生素（如泛酸、生物素）：泛酸是辅酶A的前体，辅酶A参与脂肪酸的酰基化反应；生物素是羧化酶的辅因子，调控脂肪酸合成，添加浓度为0.01~0.05mg/L，可协同提升脂类前体的利用率。

三、前体物质添加的协同调控策略

单一前体添加的提升效果有限，通过多前体组合添加+发酵参数耦合调控，可实现代谢流的定向优化，最大化 PS 产量，核心策略包括：

L-丝氨酸+甘油+Mg²⁺组合添加

这是经典的协同策略，L-丝氨酸提供碱基底物，甘油提供磷脂骨架，Mg²⁺激活PSS酶，三者协同可使磷脂酰丝氨酸的产量提升 80%~150%。例如在谷氨酸棒杆菌发酵中，添加10g/L L-丝氨酸+5g/L甘油+0.8mmol/L Mg²⁺，它的产量可达2.5~3.2g/L，远高于单一前体添加组。

前体添加与诱导剂联用

PSS酶的表达常受诱导剂调控，例如在酿酒酵母中，添加胆碱类似物（如二甲基乙醇胺） 可抑制磷脂酰胆碱的合成，解除其对PSS酶的反馈抑制；将诱导剂与L-丝氨酸联用，可进一步增强PC向磷脂酰丝氨酸的转化效率。

前体补料与溶氧耦合调控

磷脂酰丝氨酸合成需要充足的氧气参与脂肪酸的氧化合成，在补加前体的同时，将溶氧控制在30%~50%，可提升线粒体的能量供给，促进前体的代谢利用；避免低溶氧导致的脂肪酸合成受阻与其产量下降。

前体添加与基因工程菌株适配

对基因工程改造菌株（如过表达PSS基因、敲除磷脂酰胆碱合成关键基因），前体添加策略需针对性调整：例如过表达PSS的菌株对L-丝氨酸的需求更高，可将添加浓度提升至15~20g/L，同时减少甘油添加量，避免磷脂骨架合成过剩。

四、前体添加的常见问题与解决方案

前体利用率低

原因包括前体的水溶性差（如脂肪酸、PA）、菌体转运能力不足、前体降解。解决方案：采用表面活性剂包埋、脂质体递送技术提升前体生物利用度；通过基因工程强化菌体的前体转运蛋白（如L-丝氨酸透性酶）表达。

高浓度前体抑制菌体生长

高浓度L-丝氨酸、甘油会导致发酵体系渗透压升高，抑制菌体增殖。解决方案：采用分批补料模式，避免一次性高浓度添加；在培养基中添加渗透压保护剂（如甜菜碱、脯氨酸）。

副产物积累

过量前体可能流向副产物合成（如L-丝氨酸脱氨基生成丙酮酸，甘油过度代谢生成乙醇）。解决方案：优化碳氮比，控制葡萄糖浓度在10~20g/L；在发酵后期补加前体，减少副产物生成。

前体物质添加是微生物发酵产磷脂酰丝氨酸 的高效代谢调控手段，核心逻辑是靶向补充合成途径的限速底物、激活关键酶活性、优化代谢流分配。L-丝氨酸作为核心碱基前体，其分批补加策略是提升磷脂酰丝氨酸产量的关键；甘油、脂肪酸等脂类前体可强化磷脂骨架合成；辅因子类前体则保障代谢途径的能量与酶活需求。未来的研究方向应聚焦于：

新型前体递送系统开发，如纳米载体、微胶囊技术，提升难溶性前体的生物利用度；

前体添加与合成生物学技术的深度耦合，结合基因编辑改造前体转运与代谢通路，实现前体的精准利用；

低成本前体替代物开发，如利用工业副产物（如丝氨酸发酵废液、甘油副产物）作为前体来源，降低发酵成本。

本文来源于理星（天津）生物科技有限公司官网 http://www.enzymecode.com/