《Carbohydrate Polymers》：Genetic and bioprocess engineering strategies for microbial alginate production
郭娜|张志沃|秦一舒|张志恒|董浩|毛向钊
中国海洋大学食品科学与工程学院海洋食品加工与安全控制国家重点实验室，青岛，266404，中国
摘要
藻酸盐是一种天然多糖，以其独特的凝胶形成特性而闻名，广泛应用于食品、化妆品、制药和材料等多个行业。然而，传统的工业藻酸盐生产方法面临诸多挑战，如原材料的不稳定性、高能耗以及难以控制产品质量等问题。相比之下，微生物合成藻酸盐作为一种替代方案具有较高的效率、环境效益和结构可控性，尽管其工业化生产仍面临挑战。参与藻酸盐生物合成的主要微生物是假单胞菌属（Pseudomonas）和固氮菌属（Azotobacter），这两种微生物均具有大量生产藻酸盐的能力。多年来，人们对藻酸盐生物合成途径的理解取得了显著进展。本文深入分析了藻酸盐生物合成研究的最新进展，重点探讨了参与藻酸盐生产的生物化学途径及其调控机制，并研究了用于微生物生产藻酸盐的生物技术策略，特别是其在工业化生物过程中的应用。通过综合现有知识，本文为优化工业化环境中的藻酸盐生产提供了宝贵的见解。
引言
藻酸盐在工业生产中具有广泛的应用和巨大的市场需求。据统计，全球每年藻酸盐的产量约为20,000–30,000吨（Bojorges, López-Rubio, Martínez-Abad, & Fabra, 2023）。到2020年，全球藻酸盐市场的价值约为8.5亿美元，预计到2028年这一数字将增长至12.5亿美元，年复合增长率约为5.2%（Newswire, 2024）。
藻酸盐是一类天然存在的线性多糖，由β-D-甘露糖醛酸（M）及其C-5异构体α-L-古洛糖醛酸（G）通过1,4-糖苷键连接而成（Grasdalen, Larsen, & Smidsr?d, 1979）。这些残基沿聚合物链分布，形成均聚和杂聚区域。均聚区域由连续的M残基（M-块）或G残基（G-块）组成（图1），而杂聚区域则包含这两种单体的交替序列，包括MG二聚体以及GGM和MMG结构（Grasdalen, Larsen, & Smisrod, 1981）。M和G残基的空间构型受C5羧基位置的影响：M残基在4C1构型下具有赤道位置的C5羧基，形成非极性连接和更开放的结构；而G残基在1C4构型下具有轴向位置的C5羧基，形成极性连接和更紧凑的链结构。这种结构差异对藻酸盐的凝胶形成特性起着关键作用。M残基对阳离子的亲和力较弱，形成的凝胶柔软且强度较低；而G残基具有更强的阳离子结合能力，形成的凝胶坚硬且强度较高。因此，富含G残基的藻酸盐水凝胶比富含M残基的水凝胶具有更高的硬度和更密集的纤维网络（Draget, Skj?k-Br?k, & Smidsr?d, 1997）。
藻酸盐的独特结构赋予了它多种重要的性质，使其在许多行业中具有价值。在食品工业中，它常被用作增稠剂、稳定剂和凝胶剂（Krishna Perumal et al., 2023）。例如，在冰淇淋生产中，藻酸盐有助于防止冰晶形成和产品收缩，从而保证质地细腻均匀（Yan, Lan, & Xie, 2024）。在制药领域，高纯度的藻酸盐用于构建药物递送系统、片剂崩解剂和伤口敷料。钙藻酸盐纤维可应用于外科缝合线和伤口敷料中，它们能吸收渗出物并形成保护膜以促进愈合（Hao, Zhou, Chen, Mao, & Huang, 2023）。在其他工业应用中，藻酸盐还用于纺织品、造纸和水处理。在纺织品中，它作为印刷增稠剂；在造纸过程中，它用于处理纸张和纸板（Tagliapietra & Clerici, 2023）。此外，藻酸盐的独特凝胶特性使其在材料科学中也有广泛应用，通过与各种离子交联来改性其性质成为研究热点（Bai et al., 2020）。
传统上，商业藻酸盐主要从海洋褐藻中提取（Sabra, Zeng, & Deckwer, 2001）。然而，这种提取方法会带来严重的环境污染问题，包括高能耗、大量用水和化学废物产生，具体程度取决于所使用的试剂和工艺（Bojorges et al., 2023）。此外，化学提取的一个主要挑战是无法控制提取藻酸盐的结构，这受到所用原材料类型的影响（Youssouf et al., 2017）。细菌合成藻酸盐的发现为藻酸盐生产开辟了新途径。微生物生产的藻酸盐与藻类来源的藻酸盐在结构和功能上存在显著差异（Wang et al., 2023）。特别是，细菌产生的藻酸盐在D-甘露糖酸残基上通常含有O-乙酰基，这改变了其聚电解质行为（Hay, Ur Rehman, Moradali, Wang, & Rehm, 2013）。此外，微生物藻酸盐的生产不受季节或地理因素的限制，其结构和性质可以通过基因工程和发酵条件的调控进行精确调整，从而生产出具有特定性能的藻酸盐以适应特定应用。
具有藻酸盐合成代谢能力的细菌主要属于假单胞菌属（Pseudomonas）和固氮菌属（Azotobacter）。关于这些细菌的藻酸盐合成研究涵盖了生理学、遗传学和动力学等多个领域（Pacheco-Leyva, Guevara Pezoa, & Díaz-Barrera, 2016）。通过基因工程技术深入理解藻酸盐生物合成途径及其遗传调控机制，有助于开发出改良菌株。此外，先进的发酵工程技术在生物过程控制中的应用为提高藻酸盐产量和生产力提供了巨大潜力，从而加速了其工业化生产的进展。
尽管已有许多综述探讨了藻酸盐生物合成，现有文献主要关注代谢途径、酶的修饰、发酵优化和功能化等片段化内容（Cao, Li, Zhu, & Yao, 2023; Nú?ez, López-Pliego, Ahumada-Manuel, & Casta?eda, 2022; Urtuvia, Maturana, Acevedo, Pe?a, & Díaz-Barrera, 2017; Wang, Liu, Huang, et al., 2023）。然而，系统性地评估细菌藻酸盐生物生产策略的总体进展、持续存在的挑战及其转化潜力的综述仍然较少。本文全面回顾了细菌藻酸盐合成研究的进展，重点关注假单胞菌属和固氮菌属在藻酸盐生产中的生理、遗传和动力学特性，并评估了该领域的新兴趋势和技术方向，旨在为未来的研究和工业化生产提供有价值的见解。
藻酸盐主要从褐藻中提取，用于工业生产的常见物种包括Lessonia nigrescens、Lessonia trabeculate、Laminaria digitata、Macrocystis pyrifera、Laminaria hyperborea和Ascophyllum nodosum（Brownlee et al., 2005; Higashi-Okai, Takenouchi, Ogawa, & Okai, 2021; Shi et al., 2025; Silva, Badruddin, Tonon, Rahatekar, & Gomez, 2023）。藻酸盐的性质很大程度上受其甘露糖醛酸与古洛糖醛酸（M/G）比例的影响。
生物化学和基因组分析阐明了藻酸盐生物合成的完整代谢途径（Paulsen et al., 2005; Setubal et al., 2009; Stover et al., 2000）。当前研究表明，细菌藻酸盐的生物合成是一个复杂的多酶过程，主要发生在A. vinelandii和P. aeruginosa的细胞膜和细胞质区室中（Urtuvia et al., 2017）。
催化级联反应始于关键的中心步骤...
基因工程技术是提高微生物生物合成能力的一些最有效策略，能够实现对特定代谢产物的靶向优化。这在假单胞菌属和固氮菌属的藻酸盐合成中尤为重要。旨在调控藻酸盐产量和性质的遗传修饰受到了该领域研究人员的广泛关注（Sabra et al., 2001）。
除了遗传调控外，发酵过程控制也对藻酸盐生物合成产生深远影响。关键过程变量，如培养基组成、温度、氧气传递率（OTR）和反应器模式，会对藻酸盐的产量、分子量（MW）、M/G比例和乙酰化程度产生综合效应。与藻酸盐生物合成相关的生物过程控制研究见表2。
近几十年的广泛研究为微生物藻酸盐生物合成提供了大量见解，一些生产菌株已展现出具有工业意义的产量。虽然藻酸盐生物合成的代谢途径已基本阐明，但研究主要集中在发酵优化方面，而非生产菌株的系统性基因工程。精确调控藻酸盐生物合成的复杂性促使人们不断探索...
郭娜：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、研究、资金获取。
张志沃：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、资源准备。
秦一舒：数据可视化、概念构思。
张志恒：资源准备、研究。
董浩：资金获取、撰写——审稿与编辑。
毛向钊：撰写——审稿与编辑、项目监督、资金获取、概念构思。
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
本研究得到了国家自然科学基金重点项目（32530085）、山东省重点研发计划（重大技术创新项目2024ZLGX07）、中国科学基金会博士后奖学金计划（GZC20241615）、山东省博士后创新计划（SDCX-ZG-202503037）以及中央高校基本科研业务费（202562013）的支持。
