谷氨酸棒状杆菌（Corynebacterium glutamicum），是重要的工业微生物之一，被广泛应用于氨基酸、有机酸、维生素和生物能源等的工业化生产。作为工业生产菌种，谷氨酸棒杆菌具有耐受高强度发酵的鲁棒性、环境适应性强等特点。该菌的基因组测序已完成，遗传操作系统正在被不断地完善。目前，谷氨酸棒杆菌的代谢工程改造主要集中在解除反馈抑制、减弱竞争途径、增强目标产物合成途径代谢通量、提高细胞转运能力等方面，这些策略往往不能获得预期的代谢通量改变的效果，其原因在于缺乏对代谢网络调控和表达调控的理解。
基因组规模代谢网络模型（Genome-scale metabolic model，GEM），包含细胞内部发生的全部已知的生化反应，从细胞整体水平研究各组成部分之间的相互作用关系，分析代谢网络的结构和功能，从全局规模上深刻认识和理解细胞内的调控机制，并能够指导高效、定向调控微生物代谢网络，实现特定的生理功能。因此，亟需建立一个谷氨酸棒杆菌的基因组规模代谢网络模型，利用计算机模拟、定量分析代谢通量以及定性分析细胞生长表型，指导设计目的产物的代谢工程改造。
中国科学院微生物研究所温廷益研究组与北京化工大学谭天伟研究组合作建立了一个新的谷氨酸棒杆菌的基因组规模代谢网络模型iCW773，其中包含了773个基因，950个代谢产物和1207个生化反应。通过精炼集成反应，平衡反应式中代谢物的电荷和质量，利用吉布斯自由能ΔrG'限定反应方向，该网络模型能够准确模拟预测谷氨酸棒杆菌利用不同碳源生长的比生长速率和在以葡萄糖为唯一碳源生长的胞内代谢通量分布；利用OptForcemust算法，分析比较了野生型和高产l-赖氨酸、l-缬氨酸和l-丝氨酸工程菌之间各个网络代谢节点的代谢通量区间的重合度，所获得的代谢工程改造靶点及其改造方式与实验结果完全一致；通过添加异源合成途径，建立了谷氨酸棒杆菌合成1,2-丙二醇和异丁醇的代谢网络，发现了有利于1,2-丙二醇和异丁醇合成的新的代谢改造靶点，证明了iCW773用于目标产物的代谢网络设计的实用性；最后通过干湿法结合，从头设计并构建了一株l-脯氨酸工程菌，通过发酵罐连续补料发酵，工程菌的l-脯氨酸产量达到66.43 g/L，糖酸转化率0.26 g/g，生产强度1.11 g/L/h，是目前已报道的在以葡萄糖为唯一碳源的基本培养基中发酵生产l-脯氨酸的最高转化率和生产强度。
该研究所构建的基因组规模代谢网络模型能够提供一个高效的研究预测平台，有利于在系统生物学水平加深对谷氨酸棒杆菌的代谢网络的理解，为利用该菌作为细胞工厂合成具有不同代谢途径化合物提供了一种高效的技术工具，并为一些生物基化学品的人工合成网络的设计改造奠定了研究基础。
该研究已于6月30日正式发表在Biotechnology for Biofuels，微生物所博士生张宇为该文的第一作者，北京化工大学生科院博士生蔡敬一和中国工程院院士谭天伟为共同作者，副研究员张芸与研究员温廷益为共同通讯作者。该研究得到国家高技术研究发展计划（“863”计划）（2014AA021203）、中科院科技服务网络计划（STS计划）（KFJ-STS-QYZD-047和KFJ-EW-STS-078）和国家自然科学基金（31570074、21390202和21436002）的资助。
图1 谷氨酸棒杆菌的中心代谢网络
图2 基于GEM构建的l-脯氨酸工程菌的生理代谢分析。a. l-脯氨酸工程菌的摇瓶发酵；b. 干法分析ACONTa (b) 的通量对胞内其它代谢通量的影响；c. l-脯氨酸合成相关基因的转录水平分析
