D-核糖在生物体内具有极为重要的作用，它是 ATP、核糖核酸等关键生物分子的组成部分，在细胞新陈代谢、遗传信息传递以及肌肉收缩等生理活动中都发挥着不可或缺的作用。因此，D-核糖在食品、化妆品、保健品和制药等多个领域都有着广泛的应用。
目前，工业上生产 D-核糖主要采用微生物发酵技术，该技术依赖微生物体内的戊糖磷酸途径（PPP）。然而，这一传统生产途径存在诸多问题，其合成步骤复杂繁琐，导致生产效率不高；而且，微生物宿主细胞在生长过程中容易出现缺陷，同时还面临碳代谢物阻遏（CCR）的问题，这不仅阻碍了 D-核糖的高效合成，还造成了二氧化碳排放和碳源浪费。
Izumoring 策略为 D-核糖生产带来了新的可能，该策略是由日本香川大学稀有糖研究中心的 Ken Izumori 教授提出，理论上是通过特定酶促反应，实现糖类之间的高效转换。而对于 D-核糖生产，它也提供了一条从 D-木糖到 D-核糖的路线，只需三步反应，即从 D-木糖到 D-木酮糖，再到 D-核酮糖，最终即可生成 D-核糖。该路线相比传统 PPP 途径优势明显，可避免宿主细胞生长缺陷、CCR 影响及碳损失，但 Izumoring 路线此前一直未在工程实践中得到验证。
近日，来自广东以色列理工学院、郑州大学、华熙生物、新拓洋生物工程有限公司等的科学家合作开展了相关研究，通过逐步验证这一路径，并筛选出每个步骤中更高活性的酶，最终实现了从 D-木糖到 D-核糖的高效生产。该研究以 “Producing D - Ribose from D - Xylose by Demonstrating a Pentose Izumoring Route” 为题发表于 Journal of Agricultural and Food Chemistry 期刊。
首先，研究人员从众多酶中筛选出能将 D-木糖转化为 D-木酮糖的关键酶，经大量测试，发现来自 Acidothermus cellulolyticus 11B 的葡萄糖异构酶（AcceGI）和大肠杆菌的木糖异构酶（XylA）具备此能力，随后，研究人员开始寻找能催化 D-木酮糖转化为 D-核酮糖的酮糖 3-差向异构酶（KEase），在经过一系列酶的筛选后，确定了 CcDPEase 可完成该转化，且利用 AcceGI 和 CcDPEase 组合能产生更多 D-核酮糖。在测试多种异构酶后，发现 XylA、CcDPEase 和 BsLRhI 共同作用时可产生最高滴度的 D-核糖，验证了 D-木糖能够通过 Izumoring 路线生产 D-核糖。
确定路线可行后，团队进一步研究以提高产量。他们调整酶剂量，发现 AcceGI 和 CcDPEase 是影响产量的关键因素，通过优化其基因拷贝数（两个拷贝的 AcceGI 和 CcDPEase 以及一个拷贝的 BsLRhI），使 D-核糖产量从最初的未优化状态提高了 88.14%。
随后，团队决定继续对整个生产过程进行优化。通过单因素实验和响应面法（RSM）研究温度、pH 值、底物浓度等因素对生产的影响，确定了最佳生产条件，包括 IPTG 浓度为 25 mM、诱导时间为 16 h、诱导温度为 23.15 ℃、反应 pH 为 7.82、底物浓度为 40 g/L 和反应温度为 57.81 ℃，在此条件下，D-核糖的最大滴度达到 6.87 g/L，转化率为 16.95%，较优化前提高了 23.8%！采用分批补料策略，进一步将 D-核糖产量提高到 9.55 g/L，生产效率大大提高。
此外，团队还着眼于农业废弃物玉米秸秆的利用。玉米秸秆富含木质纤维素糖，但大部分被闲置浪费。他们利用 Izumoring 路线原理，尝试从玉米秸秆水解液中同时生产 D-核糖和 D-阿洛糖。D-阿洛糖是一种稀有糖，具有高甜度、低热量和无毒等优点，是理想的糖替代品。团队成功从玉米秸秆水解液中制备出 D-核糖和 D-阿洛糖，实现了对木质纤维素糖的综合利用，为农业废弃物资源化利用开辟了新途径。这项研究成果意义重大，虽然目前新路线在产量和滴度上与传统方法存在差距，但潜力巨大。未来通过酶工程优化关键酶性能、调控宿主细胞以及优化培养基和生产工艺等措施，有望大幅提升 D-核糖产量。
总而言之，该研究为 D-核糖生产提供了新思路和方法，也为其他糖类生物合成研究提供了经验借鉴，进一步推动了生物合成领域的发展。相信未来，随着合成生物学技术的不断发展，它将为食品行业的发展提供了更多新的思路和活力，比如应用于改善食品营养风味、高效处理食品废物、生产可降解包装材料等。
参考文献：
1、https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39579380/
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