随着石化资源的枯竭和环境问题的日益严重，人们开始关注通过合成方法可持续生产天然产物。生物聚合物作为天然存在的大分子，在许多不同行业中成为潜在的替代品。从化妆品到生物医学，它们被广泛认为是传统产品的替代品（Baranwal等人，2022年）。生物多糖常见于细菌、动物和植物中。与蛋白质类似，生物多糖对生命过程至关重要，对细胞黏附、细胞间相互作用以及免疫系统的分子识别起着重要作用（Yu等人，2018年）。根据分子量、分支结构和分支程度，生物多糖被分为几类。根据重复的单体单元，它们主要分为同聚糖（homo-polysaccharides）和异聚糖（hetero-polysaccharides）（Xie等人，2016年）。
近年来，生物聚合物产业在各个行业尤其是化妆品领域得到了蓬勃发展，对这些聚合物的需求急剧增长，使其市场价值呈指数级上升。2025年，全球抗衰老化妆品市场的规模达到了770亿美元，预计从2025年到2034年将以6.8%的复合年增长率增长，达到约1410亿美元（Pandey和Shivarkar，2025年）。左旋糖醇和透明质酸（HA）是最受欢迎的两种生物聚合物，具有广阔的抗衰老应用前景（Giorgia Natalia Iaconisi等人，2023年；Mummaleti等人，2024年）。
透明质酸是唯一一种没有硫酸化修饰的糖胺聚糖。它由N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）和交替连接的葡糖醛酸（GlcA）通过β-1,3和β-1,4糖苷键组成。双功能酶透明质酸合成酶（hyaluron synthase, HAS）同时具有β-1,3-GlcA和β-1,4-GlcNAc转移酶活性，利用UDP-GlcNAc和UDP-GlcA作为供体底物，依次将单糖连接到糖链的非还原端（Weigel等人，2005年）。这种酶天然存在于某些细菌物种（如多杀巴斯德菌和流行性链球菌）以及动物体内，作为结缔组织的粘合物质。重组的工业级透明质酸在枯草芽孢杆菌（Bill Widner等人，2005年）、乳酸菌（Badri等人，2019年）和谷氨酸棒状杆菌（Wang等人，2020年）中生产。由于枯草芽孢杆菌拥有完善的生物合成途径，它可以生产多种产品，如非晶二烯（R, R)-2,3-丁二醇等（Pramastya等人，2021年；Vikromvarasiri等人，2021a）。由于其无外毒素和内毒素的特性，它通常被认为是安全的（GRAS），并被用于生产透明质酸。透明质酸酶是一种能降解透明质酸的酶，在这些生物体中天然不存在，从而减少了因降解造成的透明质酸损失。关于透明质酸的详细综述可见其他文献（Gunasekaran等人，2020年；Salih等人，2024年）。基于透明质酸的配方（如面霜、乳液、真皮填充剂注射、精华液、凝胶、面部填充剂、植入物和自体脂肪凝胶）在保湿、皮肤水合、皮肤平滑和皮肤再生方面的效果已被证实非常有益（Bukhari等人，2018年）。
左旋糖醇是一种由细菌和植物合成的β-(2,6)键连接的果聚糖。它天然存在于枯草芽孢杆菌中，以蔗糖为底物生成。其独特的分子结构由果糖基单元组成，赋予了它多种生物活性。已有许多关于左旋糖醇的详细综述（?ner等人，2016年；Srikanth等人，2015年；Veerapandian等人，2025年）。左旋糖醇因其潜在的抗衰老特性而被用于化妆品配方中。它通过抗氧化作用保护皮肤细胞免受损伤，减缓衰老过程。这种抗氧化能力有助于保持胶原蛋白和弹性纤维，从而维持皮肤弹性并减少皱纹的出现。左旋糖醇还能通过清除自由基来减少氧化应激。此外，它的保湿性能还能提升皮肤的水分含量，形成保护屏障（Dom?a?-K?dzia等人，2019年）。在枯草芽孢杆菌中合成左旋糖醇时会产生葡萄糖作为副产品，这些葡萄糖可用于细胞生长和同时生产透明质酸。早期研究表明，左旋糖醇可以与聚羟基烷酸、聚-γ-谷氨酸、聚-ε-赖氨酸、乙醇、山梨醇和低聚果糖共同生产（de Siqueira和Toksoy ?ner，2023年）。
此外，通过将基因组代谢模型（GEM）与技术经济分析（TEA）相结合，越来越多地评估此类生物技术过程的经济可行性。例如，Akbari和Barton（2019年）将莱茵衣藻的基因组代谢模型整合到藻类生物精炼厂的超级结构优化模型中用于TEA分析。Baral等人（2024年）利用Rhodosporidium toruloides的基因组代谢模型分析了从高粱生物质中生产双倍萜类化合物的过程。该模型显示，在双倍萜类化合物产量达到理论最大值的80%时，可再生氢气的成本低于2.2–3.1美元/公斤（Baral等人，2024年）。Van Der Hauwaert等人（2024年）使用基因组代谢模型对丙酸杆菌的潜在底物进行了筛选，发现乳酸是最优底物，税前利润（EBIT）为9950美元。尽管这些研究强调了特定的经济指标，但它们往往侧重于单一产品的可行性或底物选择，而非多产品协同作用的经济评估。
除了左旋糖醇外，还生产了多种副产品，如乙醇（de Siqueira和Toksoy ?ner，2023年；Krishnan等人，2025年）、PGA、PHA、山梨醇、黄原胶等（de Siqueira和Toksoy ?ner，2023年；Krishnan等人，2025年）。也有使用葡萄糖醋酸杆菌和乳酸菌在双容器循环系统中同时生产透明质酸和细菌纤维素的实例（Liu等人，2019年；Liu和Catchmark，2020年；Zhang等人，2025年）。然而，目前还没有关于使用单一宿主同时生产透明质酸和其他副产品的研究（Liu等人，2019年；Liu和Catchmark，2020年；Zhang等人，2025年）。此前，左旋糖醇和透明质酸并未同时生产。由于它们的功能相似性，这两种物质越来越多地被用于各种商业抗衰老化妆品配方中（Benigar等人，2014年；Choi等人，2018年）。重叠的市场需求使它们成为共生产的理想候选物（Helenas等人，2022年；Zhao等人，2024年）。因此，协同合成提供了利用同一生物体和蔗糖作为唯一底物同时生产这两种生物聚合物和配方成分混合物的绝佳机会。与单独生产相比，协同生产可以降低总体制造成本。
为了解决这些问题，本研究首次提出了基于基因组代谢模型的方法，在枯草芽孢杆菌中同时生物合成透明质酸和左旋糖醇。选择这种组合是因为这两种生物聚合物在商业抗衰老配方中的功能相似性（Benigar等人，2014年；Choi等人，2018年），为配方成分混合物的开发提供了可能性。与以往仅关注底物筛选或单一产品权衡的基因组代谢模型-技术经济分析整合不同，我们采用了全面的TEA分析并结合了严格的敏感性分析。这一扩展的经济框架验证了从单一底物（蔗糖）协同生产可以显著降低制造成本，并确定了提高产量的基因调控点，从而提供了一种新颖的、可持续且具有工业实用性的生产策略。
