磷脂酰絲氨酸（Phosphatidylserine, PS）是一種含絲氨酸的酸性磷脂，廣泛應用于食品、醫藥、保健品領域，其核心生理功能包括改善認知功能、調節神經遞質釋放。微生物發酵法因原料綠色、產物安全性高，成為替代傳統動物組織提取法的主流技術。前體物質添加是微生物發酵產磷脂酰絲氨酸的關鍵代謝調控手段，通過定向補充合成途徑的關鍵前體，可顯著提升它的合成通量與產量。以下從磷脂酰絲氨酸的微生物合成途徑、核心前體物質類型、添加策略及優化方向展開系統闡述。

一、微生物合成磷脂酰絲氨酸的核心代謝途徑

微生物（如釀酒酵母Saccharomyces cerevisiae、谷氨酸棒桿菌Corynebacterium glutamicum、畢赤酵母 Pichia pastoris）合成磷脂酰絲氨酸的途徑高度保守，主要分為磷脂酰膽堿（PC）轉化途徑與從頭合成途徑，二者均依賴關鍵前體的供給：

PC轉化途徑（主導途徑）

微生物細胞膜中含量豐富的PC，在磷脂酰絲氨酸合酶（PSS） 催化下，與L-絲氨酸發生堿基交換反應生成磷脂酰絲氨酸，同時釋放膽堿。該途徑的核心限制因素是L-絲氨酸的胞內濃度與PSS 酶活性，前體添加的核心目標之一是提升胞內L-絲氨酸供給。

從頭合成途徑

以甘油-3-磷酸、脂肪酸、絲氨酸為起始前體，依次經酰基化、磷酸化、堿基結合反應生成 PS。該途徑涉及的前體包括甘油-3-磷酸、乙酰輔酶A、L-絲氨酸，其中甘油-3-磷酸的供給直接決定磷脂骨架的合成效率。

兩種途徑的代謝流交匯于磷脂酸（PA） 節點，PA 既是細胞膜磷脂合成的核心前體，也是磷脂酰絲氨酸合成的關鍵中間體。前體物質添加需靶向這兩條途徑的限速步驟，實現代謝流向其定向富集。

二、核心前體物質類型及添加機制

微生物發酵產磷脂酰絲氨酸的前體物質可分為氨基酸類前體、脂類前體、輔因子類前體三大類，不同前體通過調控不同代謝節點提升它的產量，具體作用機制如下：

1. 氨基酸類前體：L-絲氨酸（核心前體）

L-絲氨酸是磷脂酰絲氨酸分子中極性頭部的直接供體，也是PC-PSS途徑的唯一堿基底物，其胞內濃度是其合成的首要限制因子。

添加機制

（1）直接提升底物濃度：外源添加L-絲氨酸可通過微生物細胞膜上的氨基酸轉運蛋白（如酵母中的 Serp 透性酶）進入胞內，直接為PSS酶提供底物，推動PC向磷脂酰絲氨酸的轉化；

（2）解除反饋抑制：微生物自身合成L-絲氨酸的途徑受終產物反饋抑制（如磷酸甘油酸脫氫酶受L-絲氨酸抑制），外源添加可減少菌體自身合成壓力，同時避免胞內L-絲氨酸過度積累引發的代謝紊亂；

（3）調控PSS酶活性：適量L-絲氨酸可誘導PSS編碼基因（如酵母中的CHO1基因）的表達，提升PSS酶的合成量與催化效率。

添加策略要點

（1）濃度優化：L-絲氨酸的適宜添加濃度為 5~20g/L，過低無法滿足底物需求，過高則會導致滲透壓升高、菌體生長受抑；

（2）分批補加：采用“初始少量添加+發酵中期分批補料”模式，避免一次性添加導致的底物降解與代謝溢流；例如在釀酒酵母發酵中，于對數生長期（發酵12~24h）補加L-絲氨酸，可使磷脂酰絲氨酸產量提升30%~50%；

（3）協同pH調控：L-絲氨酸在酸性條件下穩定性更高，發酵體系pH控制在5.5~6.5，可減少其脫氨基降解。

2. 脂類前體：甘油、脂肪酸及磷脂前體

脂類前體靶向磷脂酰絲氨酸 的疏水骨架合成，為磷脂分子提供甘油骨架與脂肪酸鏈，核心包括甘油、脂肪酸、磷脂酸（PA）等。

甘油添加機制與策略甘油是甘油-3-磷酸的直接前體，而甘油-3-磷酸是磷脂從頭合成的起始物質。外源添加甘油可通過以下途徑提升磷脂酰絲氨酸的產量：（1）甘油經甘油激酶催化生成甘油-3-磷酸，直接進入磷脂合成途徑，增加PA的合成通量；（2）甘油可作為碳源補充，緩解葡萄糖代謝壓力，避免因碳源過量導致的菌體過度生長與磷脂酰絲氨酸合成競爭。添加要點：適宜的添加濃度為2~8g/L，與葡萄糖按1:3的比例混合碳源，可實現菌體生長與其合成的平衡；在發酵后期補加甘油，可延長磷脂酰絲氨酸的合成期，減少副產物積累。

脂肪酸添加機制與策略脂肪酸是磷脂酰絲氨酸疏水鏈的組成部分，常見添加類型包括棕櫚酸、油酸、亞油酸（微生物自身合成的主要脂肪酸種類）。（1）外源脂肪酸可直接結合到甘油-3-磷酸骨架上，生成磷脂酸，縮短從頭合成途徑的反應步驟；（2）不飽和脂肪酸（如油酸）可提升細胞膜的流動性，促進磷脂酰絲氨酸的胞外分泌，減少胞內產物反饋抑制。添加要點：脂肪酸添加濃度為0.5~2g/L，需與吐溫80等表面活性劑聯用，提升其水溶性與菌體吸收效率；優先選擇微生物自身合成能力較弱的不飽和脂肪酸，避免飽和脂肪酸過量導致的細胞膜剛性增加。

磷脂酸（PA）添加機制與策略PA是磷脂合成的核心中間體，外源添加PA可直接跨越甘油-3-磷酸酰基化的限速步驟，定向流向磷脂酰絲氨酸合成。添加要點：PA水溶性差，需采用脂質體包埋技術提升生物利用度；添加濃度為0.1~0.5g/L，于對數生長期后期添加，可顯著提升它的合成速率。

3. 輔因子類前體：ATP、鎂離子、維生素

磷脂酰絲氨酸合成過程（如PSS催化的堿基交換反應、甘油-3-磷酸的磷酸化反應）需要多種輔因子參與，輔因子類前體的添加可提升關鍵酶的催化活性，保障代謝途徑順暢。

ATP與腺苷酸：ATP是磷脂合成途徑的能量供體，外源添加ATP（0.1~0.3g/L）或腺苷酸前體（如腺苷、AMP），可緩解胞內能量不足問題，尤其在高密度發酵中效果顯著；

鎂離子（Mg²⁺）：Mg²⁺是PSS酶、甘油激酶的激活劑，同時參與ATP的磷酸基團轉移反應，添加濃度為0.5~1mmol/L，可使PSS酶活性提升20%~30%；

維生素（如泛酸、生物素）：泛酸是輔酶A的前體，輔酶A參與脂肪酸的酰基化反應；生物素是羧化酶的輔因子，調控脂肪酸合成，添加濃度為0.01~0.05mg/L，可協同提升脂類前體的利用率。

三、前體物質添加的協同調控策略

單一前體添加的提升效果有限，通過多前體組合添加+發酵參數耦合調控，可實現代謝流的定向優化，最大化 PS 產量，核心策略包括：

L-絲氨酸+甘油+Mg²⁺組合添加

這是經典的協同策略，L-絲氨酸提供堿基底物，甘油提供磷脂骨架，Mg²⁺激活PSS酶，三者協同可使磷脂酰絲氨酸的產量提升 80%~150%。例如在谷氨酸棒桿菌發酵中，添加10g/L L-絲氨酸+5g/L甘油+0.8mmol/L Mg²⁺，它的產量可達2.5~3.2g/L，遠高于單一前體添加組。

前體添加與誘導劑聯用

PSS酶的表達常受誘導劑調控，例如在釀酒酵母中，添加膽堿類似物（如二甲基乙醇胺） 可抑制磷脂酰膽堿的合成，解除其對PSS酶的反饋抑制；將誘導劑與L-絲氨酸聯用，可進一步增強PC向磷脂酰絲氨酸的轉化效率。

前體補料與溶氧耦合調控

磷脂酰絲氨酸合成需要充足的氧氣參與脂肪酸的氧化合成，在補加前體的同時，將溶氧控制在30%~50%，可提升線粒體的能量供給，促進前體的代謝利用；避免低溶氧導致的脂肪酸合成受阻與其產量下降。

前體添加與基因工程菌株適配

對基因工程改造菌株（如過表達PSS基因、敲除磷脂酰膽堿合成關鍵基因），前體添加策略需針對性調整：例如過表達PSS的菌株對L-絲氨酸的需求更高，可將添加濃度提升至15~20g/L，同時減少甘油添加量，避免磷脂骨架合成過剩。

四、前體添加的常見問題與解決方案

前體利用率低

原因包括前體的水溶性差（如脂肪酸、PA）、菌體轉運能力不足、前體降解。解決方案：采用表面活性劑包埋、脂質體遞送技術提升前體生物利用度；通過基因工程強化菌體的前體轉運蛋白（如L-絲氨酸透性酶）表達。

高濃度前體抑制菌體生長

高濃度L-絲氨酸、甘油會導致發酵體系滲透壓升高，抑制菌體增殖。解決方案：采用分批補料模式，避免一次性高濃度添加；在培養基中添加滲透壓保護劑（如甜菜堿、脯氨酸）。

副產物積累

過量前體可能流向副產物合成（如L-絲氨酸脫氨基生成丙酮酸，甘油過度代謝生成乙醇）。解決方案：優化碳氮比，控制葡萄糖濃度在10~20g/L；在發酵后期補加前體，減少副產物生成。

前體物質添加是微生物發酵產磷脂酰絲氨酸 的高效代謝調控手段，核心邏輯是靶向補充合成途徑的限速底物、激活關鍵酶活性、優化代謝流分配。L-絲氨酸作為核心堿基前體，其分批補加策略是提升磷脂酰絲氨酸產量的關鍵；甘油、脂肪酸等脂類前體可強化磷脂骨架合成；輔因子類前體則保障代謝途徑的能量與酶活需求。未來的研究方向應聚焦于：

新型前體遞送系統開發，如納米載體、微膠囊技術，提升難溶性前體的生物利用度；

前體添加與合成生物學技術的深度耦合，結合基因編輯改造前體轉運與代謝通路，實現前體的精準利用；

低成本前體替代物開發，如利用工業副產物（如絲氨酸發酵廢液、甘油副產物）作為前體來源，降低發酵成本。

本文來源于理星（天津）生物科技有限公司官網 http://m.ichew.com.cn/