烟酰胺单核苷酸是一种天然存在的生物活性核苷酸，由核糖、烟酰胺基团和磷酸基团组成。烟酰胺单核苷酸存在两种异构形式——α和β，其中后者是其活性形式。在人体中，β-烟酰胺单核苷酸（NMN）直接参与辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD＋）的合成，并通过NAD＋体现其功能。与NAD＋相比，NMN更容易进入细胞，可以通过主动转运穿过细胞膜，然后在细胞内有效转化为NAD＋。NMN可作为治疗高脂肪饮食引起的2型糖尿病、肥胖和心力衰竭等疾病的有效工具。

NMN主要通过化学合成法或生物合成法生产。化学合成法工艺成熟，是NMN的主要生产方法，但存在合成路线繁琐、反应条件严苛、产物手性分离困难、有机溶剂使用等问题，导致产品售价较高。与之相比，利用生物技术合成NMN是一种理想的替代方案，具有无毒性、加工条件温和、底物特异性高、产品选择性强、转化效率高等优点。天津科技大学 工业发酵微生物教育部重点实验室的王昭颖、郭新浩、范晓光*等重点概括了生物合成β-烟酰胺单核苷酸及其衍生物研究进展，旨在为β-烟酰胺单核苷酸的生产提供参考。

01

酶催化法合成NMN

NMN在不同生物体内的生物合成过程可分为以下几类：在哺乳动物和一些细菌中，NMN是由NAMPT以烟酰胺和5-磷酸核糖-1-焦磷酸盐（PRPP）为前体合成；在大多数缺乏NAMPT的细菌中，如大肠杆菌，NMN主要通过NAD＋补救合成途径中的酶消耗NAD＋产生；在一些缺乏这两种模式的细菌中，如土拉弗朗西斯菌（Francisella tularensis），NMN由烟酸单核苷酸通过NAD＋合成酶（FtNadE）介导的胺化反应合成；在一些哺乳动物和酵母中，NMN还能由NR通过烟酰胺核糖激酶（NRK）介导的磷酸化反应合成。

1.1 使用NAMPT催化NMN的合成

1.1.1 NAMPT的选择及改良

NAMPT存在于哺乳动物及少数细菌中，是NMN生物合成的关键酶。NAMPT可以催化烟酰胺和PRPP合成NMN，选择和设计高活性的NAMPT是增加NMN产量的必要手段。Marinescu等在大肠杆菌中分别表达杜克雷嗜血杆菌（Haemophilus ducreyi）、奥奈达希瓦式菌（Shewanella oneidensis）MR-1和小鼠（Mus musculus）来源的NAMPT，向培养基中添加烟酰胺时，所有重组菌株细胞内均检测到NMN的积累，其中表达H. ducreyi来源的NAMPT的重组菌株胞内NMN产量达到15.4 mg/L。Shoji等比较了10 种哺乳动物和细菌来源的NAMPT在大肠杆菌中的表达情况，发现NAMPT的活性与其表达水平相关，其中松噬几丁质菌（Chitinophaga pinensis）来源的NAMPT表达量最高，对烟酰胺的转化效率最高。通过解析NAMPT的晶体结构和底物结合位点可以为酶的设计和改造提供潜在靶点。Wang Tao等发现人类来源的NAMPT属于二聚体类的II型磷酸核糖基转移酶并阐明了NMN产生的酶-底物相互作用的分子机制。His247是保持NAMPT活性的必需基团，Asp313和Asp279赋予His247负电荷使其发生自磷酸化，促进了PRPP焦磷酸键断裂形成带正电荷的中间体，进而与烟酰胺反应产生NMN。

1.1.2 基于NAMPT的酶级联催化反应设计

NAMPT催化时需要使用PRPP，但该底物价格昂贵且性质不稳定，无法大规模使用。以核糖、木糖、腺苷等底物经多酶级联反应可以有效合成PRPP（图1）。当核糖作为起始物质时，首先通过核糖激酶（RK）将核糖转化为5-磷酸核糖（R5P），然后通过核糖磷酸焦磷酸激酶（PRS）将R5P转化为PRPP，两步均需使用ATP作为磷酸供体。傅荣昭等以核糖、ATP和烟酰胺为主要原料，加入RK、PRS和NAMPT多酶组合物在37 ℃、pH 7.0～7.5条件下反应4 h产生3.3 g/L的NMN。当木糖作为起始物质时，首先通过木糖异构酶（XI）将木糖转化为木酮糖，然后通过木酮糖激酶（XK）将木酮糖和ATP转化为5-磷酸木酮糖（X5P），再使用3-磷酸核酮糖差向异构酶（PRE）将X5P转化为R5P，最后通过PRS将R5P和ATP转化为PRPP。傅荣昭等以木糖、ATP和烟酰胺为主要原料，加入XI、XK、差向异构酶、PRS和NAMPT多酶组合物在37 ℃、pH 8.0～8.5条件下反应8 h产生7.3 g/L的NMN。当腺苷作为起始物质时，首先通过腺苷激酶（ADK）将腺苷和ATP转化为AMP，然后通过腺嘌呤磷酸核糖转移酶（APRT）将AMP和磷酸盐转化为PRPP和腺嘌呤。周浩以腺苷、ATP和烟酰胺为主要原料，加入ADK、APRT和NAMPT多酶组合物在33 ℃、pH 7.0条件下反应8 h产生19.3 g/L的NMN。

1.1.3 固定化NAMPT催化NMN的合成

NAMPT经固定化后能在更广泛的pH值和温度范围内维持活性，可有效提高反应效率和酶的利用率。目前已经开发了将NAMPT固定在树脂和海藻酸钠等固体基质上的方法。赵丽青等利用定向饱和突变聚合酶链式反应扩增技术获得小鼠来源的NAMPT突变体，并利用ppsumo质粒在E. coli BL21中实现了可溶性表达。将1%～3%的壳聚糖凝胶颗粒与0.5%～2.5%的戊二醛交联制备获得壳聚糖微球，再将壳聚糖微球与NAMPT粗酶液混合后得固定化酶。固定化NAMPT在45 ℃条件下酶活力保持率为81.52%，pH 9.0时酶活力保持率为80.7%，其热稳定性与pH值稳定性明显优于游离酶，且能够重复使用4 次。

1.2 使用NRK催化NMN的合成

1.2.1 NRK的选择及改良

NRK是NMN生物合成的另一重要用酶，主要存在于人体和酵母中。NRK可以催化NR和ATP合成NMN。在人体中，NRK主要以两种亚型存在，NRK1（UniProt：Q9NWW6）和NRK2（UniProt：Q9NPI5），且这两个酶的序列高度保守。NRK1和NRK2对NR表现出高度亲和力，当使用ATP作为共底物时，NRK1对NR的KM值和kcat值分别为0.088 mmol/L和0.6 s-1，NRK2对NR的KM值和kcat值分别为0.19 mmol/L和0.75 s-1。Khan等首次解析了人类来源的NRK1和产物NMN复合物的晶体结构，发现Asp56和Arg129为底物NR的识别位点，Asp36为酶的活性位点。李巧峰等通过氨基酸序列比对和结构分析，设计了NRK1的2 个突变体——T47V和N62D，且在大肠杆菌中均成功表达，其活性较野生型分别提高了130%和20%。使用突变体T47V在100 min内可转化NR产生4.1 g/L的NMN。程峰等通过分子建模和蛋白结构自由能计算，设计了NRK1的2 个突变体——N12S/F38S和N12S/F102W，其活性较野生型分别提高了171%和298%。使用突变体N12S/F102W在2 h内可转化25 g/L的NR产生22.5 g/L的NMN。Cheng Feng等对NRK2的ATP结合位点进行氨基酸突变，突变体G13S对底物NR和ATP的催化效率（kcat/KM）分别提高了2 倍和8 倍，达到42.77 L/（mmol·s）和16.41 L/（mmol·s）。使用该突变体在2 h内可转化50 g/L的NR产生39 g/L的NMN。

与人类来源的NRK相比，马克思克鲁维酵母（Kluyveromyces marxianus）来源的KmNRK具有更高的催化活性，其对ATP的kcat/KM值为57.4 L/（mmol·s）。与之相比，NRK1和NRK2对ATP的kcat/KM值分别为6.8 L/（mmol·s）和3.9 L/（mmol·s）。祝俊等通过同源建模的方法模拟KmNRK的三维结构，利用能量最低原理和分子对接技术预测出催化活性位点。通过引入D45E、D58Q、R161K和Y164W的单点突变，突变体酶的活力分别为天然酶的1.9、1.5、1.2 倍和1.3 倍，进一步引入D45E/D58Q/R161K/Y164W的组合突变，突变体酶的活力为天然酶的6.4 倍。使用突变体（D45E/D58Q/R161K/Y164W）结合ATP再生系统，在25 ℃、pH 6.0条件下反应20 h可以转化50 g/L的NR产生40 g/L的NMN。

1.2.2 基于NRK的酶级联催化反应设计

NR作为NRK催化的底物价格昂贵，使用多酶级联催化核糖、腺苷等底物合成NR是理想的替代方案。当核糖作为起始物质时，首先通过RK将核糖和ATP转化为R5P，然后通过磷酸核糖变位酶（PPM）将R5P转化为1-磷酸核糖（R1P），最后通过NRK的解磷酸作用催化烟酰胺和R1P合成NR（图2）。赵强等以核糖、ATP和烟酰胺为主要原料，加入酿酒酵母来源的RK、海栖热袍菌来源的PPM和人类来源的NRK，在25 ℃、pH 5.0条件下反应4 h产生15.1 g/L的NMN。当腺苷作为起始物质时，首先通过嘌呤核苷磷酸化酶（PNP）将腺苷和磷酸盐转化为R1P和腺嘌呤，然后继续在该酶作用下催化烟酰胺和R1P合成NR。于铁妹等以腺苷和烟酰胺为主要原料，加入家牛（Bos taurus）来源的PNP和流感嗜血杆菌（Haemophilus influenzae）ATCC 51907来源的NRK，结合ATP再生系统在38 ℃、pH 7.0条件下反应15 h产生75 g/L的NMN。

1.2.3 固定化NRK催化NMN的合成

固定化的NRK可以应用于生物催化、生物燃料电池、医学诊断、药物筛选等领域。目前，已经开发了将NRK固定在树脂或磁珠等固体基质上的方法。调节NRK和基质之间的介导分子可以是化合物或肽。例如，可以利用与NRK结合的抗体或标签蛋白作为亲和分子将NRK固定在基质上，也可通过交联酶将NRK固定在基质上。NRK固定化后能够提高稳定性和重复使用性，且易于分离和纯化。He Jianju等利用基因挖掘技术从酿酒酵母中克隆了NRK1基因片段，并利用pET28a质粒在E. coli BL21中实现了可溶性表达。重组ScNRK1的分子末端含有6 个His标签，可以与金属螯合树脂上的Ni2＋特异性相互作用而被固定化。固定化ScNRK1的最适反应温度比游离酶高10 ℃，温度稳定性得到提升，而最适pH值保持不变。使用4 个循环后，固定化ScNRK1的活性可保持在80%以上，表明生物催化剂的应用成本在降低。

酵母细胞表面展示技术是一种原位固定化的方法，通常通过与宿主酵母细胞壁蛋白融合表达而实现，常用的锚定蛋白包括α-凝集素、Flo1p、Yps1p、Cwp2p、Sed1p、Pir1-4等。展示的蛋白经分泌途径，首先被转运到内质网腔内，然后从内质网转运到高尔基体，最终锚定于细胞壁表面。He Zhonghui等使用α-凝集素作为锚定蛋白，将NRK2展示在S. cerevisiae EBY100细胞壁表面。使用NRK2全细胞作为催化剂具有较好的pH值稳定性和热稳定性，在最优的反应条件下可以转化10.5 g/L的NR产生12.6 g/L的NMN。刘峰等使用絮凝素Flo1p作为锚定蛋白，将NRK1展示在S. cerevisiae EBY100细胞壁表面。使用NRK1全细胞作为催化剂，在40 ℃条件下酶活力最高，可以转化13.7 g/L的NR产生16.4 g/L的NMN。使用4 个循环后，NRK1活力的保持率为86.1%。

目前，使用NAMPT和NRK催化NMN合成时都需要ATP作为底物，ATP消耗与NMN产生的比率对于催化过程的成本控制至关重要。通过醋酸激酶-乙酰磷酸、丙酮酸激酶-磷酸烯醇式丙酮酸、肌酸激酶-磷酸肌酸和PPK-多聚磷酸系统可以实现ATP的循环再生，减少NMN合成过程中ATP的消耗（表1）。其中，PPK介导的ATP再生系统使用多聚磷酸盐作为底物，廉价且稳定，应用最为广泛。PPK分为两个家族：聚磷酸激酶I型族（PPK1）和聚磷酸激酶II型族（PPK2），其中PPK2更有利于以多聚磷酸盐为底物的ATP或ADP再生。PPK2可进一步分为3 个亚类，I类PPK2催化ADP磷酸化成ATP，II类PPK2催化AMP磷酸化成ADP，而III类PPK2则同时具有催化ADP和AMP磷酸化的功能。对于以核糖为底物合成PRPP的酶催化反应，RK消耗ATP形成ADP，PRS消耗ATP形成AMP，因此可以选择III类PPK2再生ATP。对于以NR为底物合成NMN的酶催化反应，NRK消耗ATP形成ADP，因此可以选择I类PPK2再生ATP。

对比NAMPT和NRK的催化过程和结果可以看出，使用NAMPT作为催化剂时，NMN的产量和转化率较低，且底物PRPP难以获得，因此需要通过筛选或改造获得更高活性的NAMPT，同时利用完整细胞代谢葡萄糖产生PRPP，降低NAMPT的催化成本。使用NRK作为催化剂时，NMN的产量和转化率较高，但底物NR的酶催化合成效率需要进一步增强。

02

发酵法生产NMN

由于大部分微生物细胞内缺乏NMN合成途径，通过自然筛选无法获得NMN发酵生产菌株。大肠杆菌由于生长周期短、遗传操作简单、营养需求低等优势，已被广泛用于高附加值产品的发酵生产中。近年来，合成生物技术高速发展，通过系统代谢工程改造大肠杆菌，如构建NMN合成途径、减少NMN代谢、强化转运途径、增强前体物供应等，结合发酵过程优化，能够显著提升NMN的发酵水平，为工业发酵生产NMN提供了技术支撑。

2.1 细胞工厂构建策略

2.1.1 构建NMN合成途径

大肠杆菌无法直接合成NMN，因此只能通过引入外源合成途径实现NMN的积累（图3）。途径I是引入外源的NAMPT催化烟酰胺和PRPP合成NMN，其中烟酰胺可在培养基中添加，PRPP则通过葡萄糖代谢产生。Shoji等考察了10 种不同来源的NAMPT在E. coli BL21中的表达情况和活力。其中，C. pinensis来源的NAMPT（CpNampt）的可溶性表达量和酶活力最高。Huang Zhongshi等考察了8 种不同来源的NAMPT对E. coli BL21生产NMN的影响。其中，过表达弧菌噬菌体（Vibrio bacteriophage）KVP40来源的NAMPT的工程菌在添加200 mg/L烟酰胺的培养条件下，胞内产生了81.3 mg/L的NMN，且胞外产生了124.1 mg/L的NMN，而过表达其他来源的NAMPT的工程菌只在胞内检测到NMN的积累。途径II是引入烟酸磷酸核糖转移酶PncB和FtNadE催化烟酸和PRPP合成NMN，其中烟酸可在培养基中添加，PRPP则通过葡萄糖代谢产生。Sorci等发现F. tularensis中存在的FtNadE可以催化烟酸单核苷酸合成NMN，但在其他生物体内尚未发现类似功能的酶。首先，葡萄糖经中心代谢产生天冬氨酸（ASP）和PRPP；其次，天冬氨酸和PRPP经天冬氨酸氧化酶NadB、喹啉合酶NadA和喹啉磷酸核糖转移酶NadC的作用形成烟酸单核苷酸；然后，烟酸单核苷酸经烟酸核苷酸腺苷转移酶NadD和NadE的作用形成NAD＋；最后，NAD＋经三磷酸焦磷酸水解酶MazG的作用形成NMN。Wang Pengju等在E. coli BL21中过表达内源的nadA/B/C/D/E基因和mazG基因，构建的工程菌S09在添加1 g/L天冬氨酸的培养条件下，胞内产生了152.9 mg/L的NMN。

2.1.2 减少NMN代谢

大肠杆菌主要通过以下3 种方式代谢NMN：一是在PncC的作用下将NMN转化为烟酸单核苷酸；二是在烟酰胺核苷酸腺苷酰转移酶NadR的作用下将NMN转化为NAD＋；三是在UshA、YjjG、SurE、AphA、NagD的作用下将NMN转化为NR。安俊侠等阻断了E. coli W3110中NMN的支路代谢，发现NMN在细胞内主要代谢为NR，而向烟酸单核苷酸和NAD＋的代谢并不活跃。敲除ushA基因后，工程菌对NMN的降解率从100%降低至25.1%，继续敲除aphA、nagD、yjjG和surE基因后，工程菌对NMN的降解率进一步减少至4.6%。

2.1.3 强化转运途径

使用途径I和途径II合成NMN时需要添加底物烟酰胺和烟酸，因此强化这两种底物向胞内的转运有助于提高底物利用率，推动产物的合成。Shoji等比较了6 个细菌来源的烟酸转运蛋白NiaP，其中来自洋葱伯克霍尔德菌（Burkholderia cenocepacia）和肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae TIGR4）的NiaP同时具有转运烟酸和烟酰胺的功能。在E. coli BL pRC2中分别过表达BcNiaP和SpNiaP，工程菌NMN的发酵产量分别提高了24.8%和17.8%。

强化产物向胞外的转运是减少产物代谢和反馈抑制的有效策略。为了强化产物的外排，Shoji等以5 个不同来源的NR转运蛋白PnuC作为候选对象，经筛选发现来自蕈状芽孢杆菌（Bacillus mycoides）的PnuC具有转运NMN的功能。在E. coli BL pRC2中过表达BmPnuC，工程菌NMN的发酵产量提高了49.7%。

2.1.4 增强前体物供应

使用3 种途径合成NMN时均需要前体PRPP，增强PRPP的供应能够有效提高NMN的发酵产量。在大肠杆菌发酵生产NMN的过程中，葡萄糖经磷酸戊糖途径产生中间体R5P，再通过PRS的作用转变为PRPP。因此，通过提高PRS的酶活性和磷酸戊糖途径的代谢通量可以有效提升胞内PRPP的供应。根据对磷酸根离子的活性需求、二磷酸供体的特异性和变构调节机制，PRS可以分为3 个亚组。其中，I类PRS研究最为广泛，可被Mg2＋和磷酸盐激活，但被ADP抑制。大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和人类来源的I类PRS的晶体结构相似，但酶学性质各不相同。人类来源的PRS具有更高的底物亲和力，但枯草芽孢杆菌来源的PRS具有最高的催化反应速率。对PRS突变能够改变其酶学性质，向人类来源的PRS引入D52H、N114S和L129I突变以及向解淀粉芽孢杆菌来源的PRS引入N120S和L135I突变均能有效降低ADP的抑制，提高PRS的活力。Liu Yang等在E. coli BL NMN01中过表达内源及解淀粉芽孢杆菌来源的PRS，同时敲除编码负转录调控因子的基因PurR，工程菌NMN的发酵产量提高了15.4%。Gan Jiajia等在E. coli NMN008中过表达木糖转运蛋白XylE和XylFGH增强了木糖的转运效率，进一步过表达木糖代谢调控因子XylRR121C增强了木糖的利用效率，工程菌NMN的发酵产量提高了1.1 倍。

2.2 发酵过程优化策略

发酵过程优化主要是对发酵方式、培养基和发酵工艺进行调整，提高工程菌在放大培养过程中的细胞密度和产品产量。使用间歇发酵方式，培养基中的底物浓度过高，容易对菌体生长和代谢产生抑制效应。与之相比，采用补料分批培养的方式，可以通过提供有限的营养和维持补料速率来避免底物抑制和副产物的形成。Maharjan等开发了一种高细胞密度补料分批培养系统，可以使用工程化大肠杆菌在高浓度下生产NMN。当培养基中的葡萄糖消耗完毕后，采用线性补料策略补充碳氮源，即随着细胞浓度的提高不断提升碳氮源的补料速率。在最优的补料控制工艺下，工程菌可以在20 h内利用5 g/L的烟酰胺产生14.8 g/L的NMN，细胞干质量达到68.8 g/L。Kim等开发了一种算法，通过指数流加营养物实现大肠杆菌高密度发酵。Kafle等将这种补料策略用于NMN发酵，当培养基中的葡萄糖消耗完毕后，利用指数流加碳氮源和硫酸镁用于维持细胞比生长速率，同时连续流加烟酰胺用于NMN合成。在最优的补料控制工艺下，工程菌可以在28 h内利用7.2 g/L的烟酰胺产19.3 g/L的NMN，细胞干质量达到117 g/L。

除了大肠杆菌之外，研究人员也开始尝试改造其他模式微生物如酿酒酵母、毕赤酵母、枯草芽孢杆菌等发酵生产NMN。Wang Chaoguang等以酿酒酵母为底盘细胞，通过引入点突变的CpNamptD83N、减弱NMN向NAD＋的代谢、增强PRPP供应等策略，将工程菌胞内NMN的质量浓度提升至1.2 g/L。Ren Yanna等以毕赤酵母为底盘细胞，构建了两种合成途径合成NMN。在半生物合成途径中，通过表达CpNampt、共表达烟酰胺和NMN转运蛋白BcNiaP和BmPnuC、敲除NMN代谢途径的关键基因等策略，工程菌可以在165 h内利用2 g烟酰胺和868 g葡萄糖产生1 g/L的NMN。在从头合成途径中，通过引入从分支酸到喹啉酸的异源途径、过表达内源的NadC和FtNadE等策略，工程菌可以在91 h内利用160 g的葡萄糖和557 g的乙醇产生0.98 g/L的NMN。

对比不同微生物发酵生产NMN的结果可以看出，以大肠杆菌为底盘细胞通过系统代谢改造能够获得更高效的可用于NMN发酵生产的细胞工厂（表2）。Gan Jiajia等通过阻断竞争途径、筛选高活性的NAMPT、增强NMN向胞外的转运、共利用葡萄糖和木糖提高前体PRPP供应等策略，获得了高产NMN的大肠杆菌基因工程菌，NMN的发酵产量达到46.6 g/L，这是迄今为止报道的最高发酵水平，展现了NMN可持续工业生产的潜力。与大肠杆菌相比，酿酒酵母和枯草芽孢杆菌具有更好的生物安全性，但需要进一步调整和优化代谢网络，提高NMN的生成速率和产量。

03

NMN衍生物的生物合成技术

3.1 NR的生物合成

NR作为VB族衍生物，是辅酶NAD＋重要前体物质之一。与其他NAD＋前体物相比，NR副作用较少，更适合作为NAD＋的膳食补充剂应用于食品和保健品领域。目前关于NR生物合成的相关报道较少，主要原因在于NR合成关键酶信息少、胞内分解代谢机制模糊、跨膜转运机制未知等。Huang Zhongshi等建立了一种利用大肠杆菌全细胞催化合成NR的方法（图4）。首先，考察了6 种不同来源的核苷酸酶催化NMN降解为NR的能力，发现内源的UshA催化活性最高，且该酶的信号肽对NR的分泌具有促进作用；然后，将UshA引入NMN生产菌株中，同时敲除与NR降解相关的酶基因（RihA/B/C），构建的工程菌能够以烟酰胺为原料合成NR；最后，引入紫红红球菌（Rhodococcus rhodochrous）来源的腈水合酶（nitrile hydratase，Nhase）催化3-氰基吡啶合成烟酰胺，使构建的工程菌能够以3-氰基吡啶为原料合成NR。在5 L生物反应器中分别使用烟酰胺和3-氰基吡啶作为底物进行发酵，NR的产量分别达到25.6 g/L和29.8 g/L。

3.2 NAD＋的生物合成

NAD＋是一种重要的中枢代谢产物，可介导各种生物过程，包括DNA修复、基因表达和能量产生。作为细胞氧化还原反应的必需辅酶，NAD＋在糖酵解、三羧酸循环、脂肪酸降解和氧化磷酸化等代谢途径的调节中起核心作用。作为工业领域中极具吸引力的产品，NAD＋在氧化还原催化反应、药物合成以及治疗痴呆、糖尿病和血管功能障碍等疾病方面也发挥着重要作用。在生物体内，NAD＋的合成包括从头合成途径和补救合成途径。在植物和大多数细菌中，NAD＋的从头合成始于天冬氨酸，然后通过NadB和NadA转化为喹啉酸（途径I）；在哺乳动物，真菌和某些细菌中，通过犬尿氨酸途径的4 个反应将色氨酸转化为3-羟基邻氨基苯甲酸（3-HAA），3-HAA被双加氧酶氧化产生2-氨基-3-羧基粘康酸半醛（ACMS），其经历自发闭环形成喹啉酸（途径II）。两种途径中产生的喹啉酸通过一种常见的三酶途径（NadC/D/E）转化为NAD＋：喹啉酸经磷酸核糖化产生烟酸单核苷酸（NAMN），再经AMP加成形成烟酸腺嘌呤二核苷酸，最后经酰胺化形成NAD＋（图5）。除了从头合成途径外，NAD＋还可以通过使用各种吡啶（烟酸、烟酰胺和NMN）作为前体的不同补救途径再生。其中，以烟酸为底物的补救合成途径又称Preiss-Handler途径。

提高胞内NAD＋水平常用的策略包括补充吡啶前体、限制NAD＋消耗、加强NAD＋补救途径等。Berríos-Rivera等通过表达催化烟酸代谢为烟酸单核苷酸的限速酶基因PncB使得大肠杆菌胞内NAD＋浓度提高了82%，达到11.4 μmol/g（以细胞干质量计）。Han Qi等通过敲除NAD＋降解途径中的关键酶基因（NadR、NudC和MazG）使得大肠杆菌胞内NAD＋浓度达到8.2 μmol/g（以细胞干质量计）。

通过改造NAD＋从头合成途径调节细胞合成NAD＋的能力是更加直接有效的方法。但是，NAD＋从头合成受到转录、翻译和翻译后修饰的严格调控，而且两种途径所需的氨基酸同时参与蛋白质合成，激活NAD＋从头合成容易引起蛋白合成失衡。Ding Yong等在链球菌次级代谢产物保罗霉素生物合成的启发下，创建了从分支酸到NAD＋的人工合成途径C3N途径，将NAD＋从头合成和蛋白质合成解耦（图5）。该途径利用PhzE、PhzD将分支酸转化为ADIC，再转化为DHHA，再利用Pau20将DHHA转化为3-HAA，随后在NabC的催化下转化成喹啉酸，进一步经三酶途径（NadC/D/E）转化为NAD＋。将该途径引入NAD＋从头合成（途径I）缺陷的大肠杆菌中，工程菌通过C3N途径产生了9.3 μmol/g（以细胞干质量计）的NAD＋，与途径I相比NAD＋浓度提高了9.7 倍。

04

结 语

目前，通过构建多酶级联催化体系可以使用相对廉价的原料如烟酰胺、核糖、核苷等生产NMN及衍生物。提高酶的催化效率、缩短酶反应路线、减少ATP的消耗是使酶催化法在经济上具有竞争力的关键。更为简单的生产方式是利用合成生物技术，构建高效的细胞工厂，以葡萄糖、烟酰胺等廉价原料直接发酵生产NMN及衍生物，但其产量与转化率仍有提高的空间。未来，需要通过构建高效基因表达调控元件提高细胞内NMN及衍生物的合成代谢通量，通过理性设计或定向进化提升限速酶的活性和稳定性，并继续强化细胞对底物和产物的转运能力，优化发酵工艺，提升发酵水平，实现NMN及衍生物的工业发酵生产。

通信作者：

范晓光副 教授， 天津科技大学 博士生导师，长期从事核苷及衍生品的生物合成研究，研究内容包括合成生物学育种、代谢控制发酵以及酶的筛选与应用等。获得省部级科技进步奖和中国轻工业联合会科技进步奖各1 项 。以第一发明人授权中国发明专利10 件、美国发明专利 2件，发表 SCI论文10 篇，参与制定标准 2 项。主持国家工信部高质量发展专项课题、国家重点研发项目子课题、国家自然科学基金、 天津市自然科学基金 等国家及省部级项目6 项 ，校企合作项目8 项。

第一作者：

王昭颖硕士研究生，天津科技大学，研究生期间的研究课题为代谢改造大肠杆菌生产烟酰胺单核苷酸，以第一发明人授权中国发明专利1 件。

本文《生物合成β-烟酰胺单核苷酸及其衍生物研究进展》来源于《食品科学》2025年46卷第13期18-27页，作者：王昭颖，郭新浩，黄馨禾，陈卓妍，刘岳琪，李娟，陈宁，范晓光。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20241127-183。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

为了帮助食品及生物学科科技人员掌握英文科技论文的撰写技巧、提高SCI期刊收录的命中率，综合提升我国食品及生物学科科技人员的高质量科技论文写作能力。《食品科学》编辑部拟定于2025年8月7-8日在 中国 湖南 长沙 举办“第12届食品与生物学科高水平SCI论文撰写与投稿技巧研修班”，为期两天。

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为贯彻落实《中共中央国务院关于全面推进美丽中国建设的意见》《关于建设美丽中国先行区的实施意见》和“健康中国2030”国家战略，全面加强农业农村生态环境保护，推进美丽乡村建设，加快农产品加工与储运产业发展，实现食品产业在生产方式、技术创新、环境保护等方面的全面升级。由中国工程院主办，中国工程院环境与轻纺工程学部、北京食品科学研究院、湖南省农业科学院、岳麓山工业创新中心、中国工程科技发展战略湖南研究院承办，国际食品科技联盟（IUFoST）、国际谷物科技协会（ICC）、湖南省食品科学技术学会、洞庭实验室、湖南省农产品加工与质量安全研究所、中国食品杂志社、中国工程院Engineering编辑部、湖南大学、湖南农业大学、中南林业科技大学、长沙理工大学、湘潭大学、湖南中医药大学、新疆维吾尔自治区农业科学院协办的“2025年中国工程院工程科技学术研讨会—推进美丽乡村建设-加快农产品加工与储运产业发展暨第十二届食品科学国际年会”，将于2025年8月8-10日在中国 湖南 长沙召开。

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为进一步促进动物源食品科学理论的完善与创新，加速科研成果向实际生产力的转化，助力产业实现高质量、可持续发展，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、中国食品杂志社将与江西农业大学、江西科技师范大学共同举办的“2025年动物源食品科学与人类健康国际研讨会”，将于2025年10月25-26日在中国 江西 南昌召开。

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