血紅素是一種含F(xiàn)e2+的卟啉類化合物，是高等生物運輸氧氣、調(diào)節(jié)機體鐵平衡、傳遞電子和提供能量等方面必需的生化物質(zhì)。憑借其高效補鐵、抗氧化及優(yōu)異的生物催化活性，血紅素在多個關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮重要作用：

1. 醫(yī)藥領(lǐng)域

• 高效補鐵劑： 吸收率高、副作用小，用于治療缺鐵性貧血（保健品/藥品）。

• 抗腫瘤藥物前體：合成血卟啉類抗腫瘤藥（如FDA批準(zhǔn)的氯化血紅素）。

• 抗氧化與免疫調(diào)節(jié)：中和自由基，增強免疫力，輔助改善慢性病。

2. 食品工業(yè)

• 人造肉的應(yīng)用：血紅素精準(zhǔn)結(jié)合植物蛋白，賦予人造肉逼真的色澤、風(fēng)味與質(zhì)地，降低致癌風(fēng)險。

• 營養(yǎng)強化劑：補充鐵元素，提升食品營養(yǎng)價值。

3. 農(nóng)業(yè)與化工

• 植物生長調(diào)節(jié)劑： 促進光合作用，增強抗逆性，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

• 生物源殺菌劑： 部分含血紅素組合物可防治作物病害，減少化學(xué)農(nóng)藥使用。

• 生物催化平臺： 用于高選擇性不對稱合成（藥物/材料）及構(gòu)建具有酶活性的功能材料，推動綠色合成工藝。

血紅素合成的局限性與挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)方法弊端顯著

• 化學(xué)合成與天然提取法：產(chǎn)品純度低、副產(chǎn)物多、環(huán)境污染大。

• 高附加值衍生物提取：天然含量極低，導(dǎo)致成本高昂且無法滿足市場需求。

生物合成瓶頸

• 產(chǎn)量低下： 現(xiàn)有微生物工程菌株的血紅素產(chǎn)量普遍低于300 mg/L，其衍生物（如膽紅素）產(chǎn)量甚至不足20 mg/L。

• 成本過高： 生產(chǎn)過程嚴(yán)重依賴添加昂貴中間體（如谷氨酸、甘氨酸、琥珀酸），推高成本，阻礙工業(yè)化應(yīng)用。

• 代謝通量失衡： 以葡萄糖/甘油為原料時，合成路徑中關(guān)鍵基因表達不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致代謝流在中間步驟受阻（“堵車”效應(yīng)），限制了終產(chǎn)物的高效合成。

因此，亟需開發(fā)一種高效、安全且經(jīng)濟的血紅素生物合成策略，通過優(yōu)化多酶復(fù)合體結(jié)構(gòu)、提升基因表達效率及調(diào)控宿主代謝，實現(xiàn)血紅素的規(guī)模化綠色生產(chǎn)。

微生物合成血紅素研究進展

目前已經(jīng)有大量的通過代謝工程改造進行微生物合成血紅素及其衍生物的工作。雖具高效底物通道化、低副產(chǎn)物等理論優(yōu)勢，但酶催化效率低、前體代謝物被競爭消耗、外源酶在宿主中表達障礙等問題還有待解決。

2025年6月，吉林大學(xué)與江南大學(xué)聯(lián)合研究團隊在國際權(quán)威期刊《Journal of Agricultural and Food Chemistry》 上發(fā)表重要研究成果[1]。團隊提出了“定制化迭代模塊代謝通量分析（CIM-MFA）”策略，將復(fù)雜的血紅素合成通路分解為三個關(guān)鍵模塊進行系統(tǒng)性優(yōu)化，成功構(gòu)建了具有強大內(nèi)源血紅素供應(yīng)能力的谷氨酸棒桿菌工程菌株HEME3-ΔhrtBA，其血紅素產(chǎn)量較野生型提高了90.75倍。在搖瓶水平即實現(xiàn)了四種重要血紅蛋白和肌紅蛋白的克級每升高產(chǎn)，創(chuàng)造了該類蛋白微生物合成的新紀(jì)錄。

泓迅生物解決方案

盡管谷氨酸棒桿菌工程化改造在血紅素合成路徑優(yōu)化上取得了顯著進展，但還需要面向大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。泓迅生物通過將多酶復(fù)合體設(shè)計、AI驅(qū)動的密碼子優(yōu)化以及宿主代謝工程改造三者協(xié)同整合，實現(xiàn)了血紅素產(chǎn)量的顛覆性提升。

技術(shù)路線

采用多酶復(fù)合體設(shè)計：通過融合多酶復(fù)合體設(shè)計構(gòu)建血紅素C4合成途徑融合多酶復(fù)合體實現(xiàn)血紅素的高效合成。

AI密碼子優(yōu)化技術(shù)（NG Codon 2.0平臺）：對構(gòu)建的融合多酶復(fù)合體進行深度優(yōu)化，確保這些復(fù)雜且超大分子量的酶組件能在宿主大腸桿菌細(xì)胞中實現(xiàn)高效、可溶性的表達，成功突破了傳統(tǒng)表達系統(tǒng)在承載大分子量蛋白復(fù)合體上的極限。

當(dāng)血紅素合成不再受制于自然提取的局限與化學(xué)合成的污染，當(dāng)每一克產(chǎn)品都源于可再生的葡萄糖與精密的細(xì)胞工廠，綠色、高效、可負(fù)擔(dān)的血紅素智造，將成為撬動萬億級可持續(xù)食品等領(lǐng)域市場的核心支點。

泓迅生物——高效生物分子制造平臺

泓迅生物提供先進的人工多酶復(fù)合體技術(shù)平臺及密碼子優(yōu)化平臺，為高效生物合成提供核心驅(qū)動力。該整合平臺不僅成功應(yīng)用于血紅素的高效、高產(chǎn)生物合成，顯著提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，更能靈活拓展至其他高附加值天然產(chǎn)物、精細(xì)化學(xué)品及生物基材料的合成領(lǐng)域。泓迅生物的合作模式靈活多樣，致力于為合作伙伴提供從研發(fā)到生產(chǎn)的全方位、定制化解決方案。

合作模式

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泓迅生物依托于AI賦能的生物智能分析專利技術(shù)，以及近百億堿基合成經(jīng)驗，為您提供從基因合成、載體構(gòu)建到蛋白質(zhì)表達和純化的一站式服務(wù)。

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