草銨膦屬於膦酸類除草劑，能夠抑制植物氮代謝途徑中的谷氨醯胺合成酶，從而干擾植物的代謝，使植物死亡。草銨膦具有殺草譜廣、低毒、活性高和環境相容性好等特點，目前化學合成的草銨膦均為DL外消旋體，但僅L-草銨膦具有除草作用，D型則幾乎無活性。若製成僅有L-草銨膦（也稱精草銨膦）的產品進行使用，可使草銨膦的用量減少一半，顯著提高經濟性，降低使用成本，減輕環境壓力。
L-高絲氨酸是一種天然存在的非蛋白氨基酸，具有L-型-α-氨基酸的基本骨架，並且其γ-羥基具有多樣的化學活性，因此，在藥物學、生理學等方面具有重要的應用前景。由於其結構活性，L-高絲氨酸及其衍生物作為手性中間體，在手性化學品合成領域也具有較好的應用潛力。由於目前較低的發酵效率，L-高絲氨酸是少數還未實現規模化生產的氨基酸品種。L-高絲氨酸具有L-草銨膦相同的分子骨架，是製備L-草銨膦的理想手性前體。中國科學院微生物研究所科研團隊透過系統分析大腸桿菌中L-高絲氨酸的代謝網路，設計了一條從葡萄糖到L-高絲氨酸的高強度發酵路線。L-天冬氨酸是L-高絲氨酸合成的前體。經草醯乙酸合成L-天冬氨酸再到L-高絲氨酸的厭氧途徑（命名為AspC途徑）具有最高的理論轉化率（2.0 mol/mol），但缺乏還原力；經富馬酸合成L-天冬氨酸的耗氧途徑（AspA途徑）具有較低的轉化率（1.0 mol/mol），但富餘還原力。透過途徑耦合設計，研究人員建立了還原力整體平衡的發酵路徑，並將還原力供給途徑中釋放的CO2重利用，設計的途徑理論上不損失C元素。
AspC途徑：Glucose + 6 NADPH + 2 CO2 = 2 L-Homoserine + 2 NADH
AspA途徑：Glucose + 2 NADPH = L-Homoserine + 2 CO2 + 5 NADH + FADH2
耦合途徑：2 Glucose + 8 NADPH = 3 L-Homoserine + 7 NADH + FADH2
依據上述途徑設計思路，透過系統代謝工程改造，精細調控L-天冬氨酸兩條合成通量配比，增強工程菌株途徑關鍵酶的表達水平和L-高絲氨酸外排能力，進一步最佳化發酵工藝，L-高絲氨酸的發酵水平突破84 g/L，產率1.96 g/L/h，轉化率0.5 g/g葡萄糖，具有較好的經濟性。
相關研究成果以Highly efficient production of L-homoserine in Escherichia coli by engineering a redox balance route為題，線上發表在Metabolic Engineering上，已申請2項我國國家發明專利。研究工作得到科學技術部重點研發計劃和國家自然科學基金委面上專案的資助。在研究論文發表之前，微生物所已和企業正式簽訂了技術排他許可合同，目前雙方在積極推進產業化落地。
微生物所實現精草銨膦手性前體的高水平發酵合成
來源：中國科學院微生物研究所
