L-精氨酸是人体中一种必需的半必需氨基酸，在蛋白质合成和免疫调节中起着关键作用（Couto e Silva等人，2020年）。开发高效的L-精氨酸生产方法已成为热点。微生物发酵被认为是L-精氨酸生产的可持续途径，因为发酵过程对环境友好且产品纯度较高（Jiang等人，2023年；S. K. Kim等人，2017年）。近年来，谷氨酸棒状杆菌和大肠杆菌已成为发酵生产L-精氨酸的主要宿主菌株。
多种代谢工程策略已被广泛应用，并在提高微生物L-精氨酸生产能力方面取得了显著进展。这些策略主要包括过表达合成途径中的关键基因、优化降解途径和辅因子生产以及进行限速酶的突变修饰（Ginesy等人，2015年；Majumdar等人，2016年；H.-D. Wang等人，2023年）。这些多层次的调控策略共同作用于微生物代谢网络，显著提高了L-精氨酸的产量（Huang等人，2016年；Sander等人，2019年；Shi等人，2015年）。迄今为止，经过工程改造的谷氨酸棒状杆菌的L-精氨酸产量达到了92.50克/升，葡萄糖转化率为0.40克/克（Park等人，2014年）。据报道，谷氨酸棒状杆菌的一个亚种Corynebacterium crenatum的L-精氨酸产量为87.3克/升，葡萄糖转化率为0.43克/克（Man等人，2016年）。大肠杆菌因其能够在廉价培养基中生长以及易于遗传操作而脱颖而出（L. Wang等人，2025年）。一种经过工程改造的大肠杆菌菌株实现了高效的L-精氨酸生产，产量达到132.0克/升，葡萄糖转化率为0.51克/克（H.-D. Wang等人，2022年）。
尽管文献表明，通过增强氨基甲酰磷酸合成酶（由carAB基因编码）的表达，可以实现大量的氨基甲酰磷酸（CP）供应（Jiang等人，2023年），但在氨供体供应方面仍有改进空间。由于L-精氨酸在所有天然氨基酸中氮含量最高，其合成需要更大的氮通量。因此，改进氨的运输和氨供体的转化对于促进L-精氨酸的积累至关重要。过表达carAB以增强CP合成在提高L-精氨酸产量方面显示出一定的效果。然而，这种方法可能会异常激活某些依赖CP的代谢途径，如嘧啶核苷酸合成。氮源可能会被分流用于合成非L-精氨酸代谢物。此外，这种异常可能会触发反馈抑制机制，进一步阻碍L-精氨酸合成途径的稳定和高效运行（Charlier & Bervoets，2019年；P. Liu等人，2022年；Wendisch，2020年；Williamson等人，2020年）。因此，建立全面的CP合成和利用途径对于克服当前的限制并充分发挥L-精氨酸生物合成的潜力至关重要。
在菌株改造中，常用的方法包括引入外源基因、过表达关键酶基因和敲除竞争性途径基因。虽然这些策略可以提高目标产物的产量，但也可能破坏细胞内的代谢平衡。这种失衡通常会导致代谢负担和细胞生长受阻。研究人员通常通过过表达生长素合成途径来恢复菌株生长（Zhu等人，2024年）。很少有研究关注构建氨基酸生产菌株时的嘌呤生物合成途径。该途径为细胞生长提供必需的嘌呤核苷酸，调节菌株的耐受性，并利用核苷酸及其衍生物作为信号分子，帮助工程细菌适应复杂的发酵环境并维持稳定的生长和代谢（L. Wang & Sveriges lantbruksuniversitet，2016年；Yang等人，2021年）。调整和增强嘌呤途径有助于提高工程菌株的稳定性。
在这项研究中，我们通过优化L-精氨酸生产所需的各种途径模块对野生型大肠杆菌进行了改造。这些改造包括删除L-精氨酸降解途径、减轻反馈抑制以及增强碳骨架合成。所得菌株被命名为W16-1。为了进一步提高L-精氨酸产量，我们研究了氨的吸收/转化途径，这是关键的氮代谢途径。我们的方法采用了两种关键策略：减弱尿苷5'-单磷酸（UMP）的合成和上调嘌呤途径。这些策略旨在增强细胞内的氮通量以促进L-精氨酸的生产。我们还加强了嘌呤途径中的NDK，从而调节NTP的合成。这一改造部分抵消了之前改造对细胞生长的不利影响。此外，减弱L-精氨酸的导入途径有助于细胞生长所需的ATP的保存。这些精确且系统的代谢工程策略，专注于氮代谢模块，为高效生产L-精氨酸和富含氮的化学物质提供了创新方法。
