生物制造是一种重要的新型发展模式，旨在解决气候、能源和粮食危机问题，与传统的石化生产方法相比，它具有原材料可持续性、环境友好性和产品安全性的优势（Keasling, 2010; Sun et al., 2023a）。从头微生物生物合成是一种利用廉价底物通过微生物细胞代谢来合成高附加值化合物的方法（Makaranga et al., 2024; Pierrel et al., 2022; Pressley et al., 2024）。与传统化学催化方法不同，该方法依靠生物体内的多步骤酶促反应来获得目标化合物，无需使用金属催化剂和化学试剂。葡萄糖是最简单且最常用的微生物发酵碳源，也是从头生物合成的廉价底物。葡萄糖-6-磷酸（G-6-P）和果糖-6-磷酸（F-6-P）在进入微生物糖酵解途径后成为前体。这些分子通过糖酵解进入三羧酸循环（TCA）和戊糖磷酸途径（PPP），在此过程中生成NADPH用于生物反应和能量产生。此外，它们还为核苷酸生物合成提供必要的碳骨架（Bachoo et al., 2011; Richhardt et al., 2013; Xu et al., 2020）。通过从头微生物合成生产功能性碳水化合物会增加微生物的正常生理代谢负担。虽然生物合成能力的提升有助于提高目标化合物的产量，但同时也会降低其生长能力。以G-6-P和F-6-P为前体的功能性碳水化合物生物合成过程需要对其进行衍生化处理。生物合成效率主要取决于碳流在衍生化途径与糖酵解途径之间的分配情况，即碳流重定向效率。提高这一效率的策略包括优化合成途径和调控微生物正常生长过程中的代谢流（Lin and Tao, 2017）。G-6-P和F-6-P衍生功能性碳水化合物的从头合成主要涉及衍生化模块的构建与优化以及中心碳代谢的调控（Taylor et al., 2023; You et al., 2020）。
本文将G-6-P和F-6-P向碳水化合物生物合成转化的主要衍生化反应分为三类：IAD（异构化与磷酸化）、FGF（F-6-P转化为GDP-FO糖）和FAA（F-6-P转乙酰化与转胺基）（图1）。总结了涉及这三类衍生化模块的功能性碳水化合物生物合成途径的优化方法，包括IAD模块中的肌醇和D-阿洛糖生产、FGF模块中的岩藻糖生产以及FAA模块中的GlcNAc生产。此外，从两个角度详细分析了通过糖酵解途径化合物的转化实现高价值碳水化合物高效生产的策略：动态调节生长与生产之间的转换以及静态下调G-6-P和F-6-P降解途径。最后，讨论了整合代谢工程和合成生物学技术以促进糖酵解途径化合物衍生化生产的潜力。
