1,5-二氨基戊烷（PDA）是合成聚酰胺（如PA5X）的关键单体（Yang等人，2021年），并在聚合物材料、农业、航空航天和医疗设备行业中有广泛的应用（Qi等人，2024年）。传统的PDA生产主要依赖于化学合成，特别是戊二腈的氢化（Ma等人，2021年）。然而，随着对石油枯竭和气候变化的关注增加（Pellegrini等人，2024年），对可再生和可持续替代品的需求也在上升。
PDA的生物生产已经通过两步全细胞催化（Ma等人，2015年）和一步微生物发酵（Liu等人，2024年）实现。在前一种方法中，葡萄糖首先被转化为赖氨酸，然后脱羧生成PDA。例如，一种工程改造的赖氨酸脱羧酶（LDC）突变体M3（EcCadAV12C/D41C）在碱性条件下表现出更好的稳定性，并通过全细胞催化在5升生物反应器中生产出了418克/升的PDA（Gao等人，2022b年）。虽然这种方法具有高转化效率和快速合成能力，但它需要两种不同的微生物宿主（赖氨酸生产菌和LDC宿主），从而增加了工艺设计的复杂性并延长了生产周期。因此，直接微生物发酵PDA受到了越来越多的关注。
已经有多种微生物宿主被工程改造用于从廉价底物中生产PDA，包括大肠杆菌（M. Li等人，2025年）、C. glutamicum（Kim等人，2020年）、Halomonas属菌（Zhao等人，2022年）、Methylosinus trichosporium OB3b（Singh等人，2022年）和Bacillus methanolicus（Nærdal等人，2015年）。其中，C. glutamicum是一种革兰氏阳性细菌，具有公认的安全性（GRAS）状态、快速生长能力和强大的抗逆性，已被广泛应用于l-赖氨酸的工业生产（Liu等人，2023年）。与其他微生物平台相比，C. glutamicum具有更强的赖氨酸生物合成能力和更高的PDA耐受性。然而，由于缺乏内源性的LDC，它不能自然合成PDA。为了克服这一限制，已将异源LDC引入赖氨酸生产菌株中（Kind等人，2014年；Oh等人，2015年）。通过从多种来源筛选LDC并优化启动子，发现了一种最佳配置——在组成型启动子PH30下表达HaLdcC——从而产生了125克/升的PDA，生产速率为1.79克/升/小时，产率为0.34克/克葡萄糖（Kim等人，2018年）。
尽管取得了这些进展，但过量的PDA积累会通过抑制细胞活性和触发孔蛋白关闭而引起严重的细胞毒性，从而阻碍PDA的合成和细胞生长（Qian等人，2011年）。为了减轻这种抑制作用，采用了结合紫外线/可见光照射与大气压和室温等离子体（ARTP）处理的随机突变方法来生成耐PDA的突变体。鉴定出几个与耐受性相关的决定因子，包括HokD、PhnI和PuuR，所得菌株能够生产出58.7克/升的PDA，产率为0.396克/克葡萄糖（Wang等人，2021年）。这些发现表明，耐受性工程可以提高PDA的生物合成效率。通过随机突变引入的突变并不总是有益的，因为它们可能会产生代谢冲突，即耐受性的提高以牺牲产率为代价。为了同时提高PDA的生产和耐受性，可以采用全基因组测序与逆向代谢工程相结合的方法来筛选和选择性地引入有益的生产增强靶点。
在这项研究中，使用了一种过量产生赖氨酸的C. glutamicum菌株作为PDA生物合成的基础菌株。通过LDC筛选、启动子优化、副产物消除和拷贝数调整构建了生产PDA的菌株。为了减轻由于PDA快速积累引起的细胞外毒性，结合了理性靶点筛选和适应性实验室进化（ALE），并通过工程改造CgmA转运蛋白突变体来增强外排活性，从而减轻了细胞内毒性。最终得到的最佳菌株LF6.1在补料批次发酵中达到了130克/升的PDA浓度、0.40克/克的产率和3.94克/升/小时的生产速率，这是迄今为止报道的最高PDA生产浓度、产量和生产速率。
