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透明质酸（HA），这种被誉为天然“保湿黄金”的生物分子，在医药、化妆品、医美等领域需求持续爆发。然而，HA 的高效生物合成及分子量精准控制是当前研究难点，主要受限于 I 型透明质酸合酶（HAS）功能解析不足及 HA 的生物合成与细胞生长之间的代谢不平衡。

透明质酸的分子量不同，其应用和效果也有所不同，比如高分子量的透明质酸因出色的保湿性和粘弹性，被广泛用于化妆品和药物缓释载体；中等分子量的透明质酸常用于眼药水和伤口愈合；而低分子量的透明质酸和透明质酸寡糖则在免疫刺激、抗血管生成以及促进骨形成、血管生成和免疫调节方面效果良好。

近日，江南大学康振团队在这一领域取得突破，他们在 Nature Communications 发表研究成果“Regulating cellular metabolism and morphology to achieve high-yield synthesis of hyaluronan with controllable molecular weights ”，成功实现了 HA 的高产合成，高分子量 HA（500 kDa）的滴度达到 45 g/L，低分子量 HA（10 kDa）的滴度达到 105 g/L。并将分子量调控范围拓展至 300-1400 kDa。

本研究通过基因层面的精准设计，使工程菌直接合成目标分子量的 HA。研究团队系统表征了来自马链球菌兽疫亚种的 I 类 HAS（SzHAS），以确定参与 HA 聚合、分泌和分子量控制的关键区域。

通过对 SzHAS 跨膜螺旋（TMH-1）的改造，不同的突变在工程菌株 C. glutamicum 中异源表达后实现了完整分泌 HA，以及合成不同分子量的HA；通过对 SzHAS 胞内催化域的改造（如 Q89V/Q90G、A96W 突变），增强了 HA 的聚合。

图 | 透明质酸合酶的不同突变获得的不同分子量的 HA 

此外，通过动态调控 UDP-葡萄糖-6-脱氢酶(由 ugd 编码)和 L-谷氨酰胺-D-果糖-6-磷酸氨基转移酶(由 glmS 编码)的表达，平衡了菌株生长和 HA 生成。

使用补料分批培养工艺评估了工程化的谷氨酸棒杆菌的生物合成能力，发现菌株 C. glutamicum CGHA-125 经过 300 次连续传代，在 5 L 发酵罐中 48 小时内可生产 45g/L 分子量为 500 kDa 的 HA。

图 | SzHAS 胞内催化结构域关键氨基酸位点鉴定与改造

为了满足 10-50 kDa 低分子量 HA 的需求，研究团队在发酵至 16 h 时向体系添加来源于水蛭的 HA 降解酶（LHYal）。LHYal 可特异性切割 HA 的 β-1,4 糖苷键，将初始合成的 500 kDa 高分子量 HA 降解至目标分子量 10 kDa。这一过程在不破坏 HA 结构的前提下，精准控制产物分子量，避免了传统酸/碱降解导致的分子破坏和副产物生成，同时保证了发酵过程的连续性和生产效率。在消耗 380 g/ L 的葡萄糖后，低分子量 10 kDa 的 HA 的滴度、生产率和转化率分别达到 105 g/L、1.46 g/L/h 和 27%，证明了工程菌株 C. glutamicum CGHA-125 的显著优越性。

在发酵过程中，研究团队特别关注了 C. glutamicum CGHA-125 的代谢适应性。HA 的高黏度会影响培养基的流动性，进而限制细胞生长和营养物质的传递。研究团队基于适应性驯化策略，让工程菌在高 HA 浓度环境中连续传代 300 次，以筛选出耐受高黏度、代谢更高效的菌株。转录组分析显示，进化后的 C. glutamicum CGHA-125 菌株在能量代谢、糖代谢、NAD⁺ 再生等通路上发生了显著调控，使其能够在高黏度环境下维持活跃的代谢水平。最终，该优化菌株在 5 L 发酵罐中成功实现了 45 g/L 的中高分子量 HA 生产，并通过水蛭透明质酸酶（LHYal）降解，进一步提高了低分子量 HA 的产率至 105 g/L。相比传统工艺，本研究提出的策略显著提升了透明质酸的生产效率，为大规模工业应用奠定了坚实基础。

这一研究不仅推进了透明质酸的生物制造工艺，也为其他多糖类生物材料的精准合成提供了可借鉴的策略。通过对 HAS 的结构优化、代谢平衡调控及菌株适应性进化，研究团队成功构建了一种高效、安全、可规模化的 HA 合成体系。未来，随着合成生物学和蛋白质工程技术的进一步发展，这一生产体系或将成为生物大分子工业合成的新范式，推动透明质酸在生物医药、组织工程、化妆品等领域的广泛应用。

参考链接：

1.Hu, L., Xiao, S., Sun, J. et al. Regulating cellular metabolism and morphology to achieve high-yield synthesis of hyaluronan with controllable molecular weights. Nat Commun 16, 2076 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56950-3

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