研究背景

透明质酸（HA）是由葡萄糖醛酸（GlcA）和N-乙酰氨基葡萄糖（GlcNAc）的重复二糖单元组成的线性多糖。HA作为全球最具价值的生物高分子之一，被广泛应用于皮肤填充剂、创伤愈合、药物递送以及组织工程等领域，这凸显了对高纯度、高性能生物材料的迫切需求。无细胞催化因其可以消除细胞膜屏障和相关的传质限制，通过在体外重建简化的酶促合成途径，避免复杂的代谢网络和固有的物理障碍，高效合成产物的同时避免复杂的下游纯化工艺，因此极具应用潜力。

近期，江南大学糖化学与生物技术教育部重点实验室联合中南大学姜守勇教授、荷兰代尔夫特理工大学Frank Hollmann教授在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》期刊（一区TOP期刊，IF 7.3）上发表论文，通过无细胞催化系统构建透明质酸合成体系，该体系在无需活细胞的情况下合成HA，消除了生物学瓶颈的同时，使生产更快速、更清洁且更高效，同时有望应用于靶向标记HA的合成，并为其他高价值的糖胺聚糖工程化生产平台建立提供了可借鉴的思路。 

主要研究结论如下：

论文建立了一种无细胞级联催化系统，利用核苷酸补救途径，从廉价的单糖高效合成UDP-GlcA和UDP-GlcNAc，从而绕过了耗能的从头合成路线；并通过截短多杀巴斯德菌透明质酸合酶（PmHAS）的膜结合相关结构域，实现了其水溶性表达水平及顺序糖基转移酶活性。此外，还实施了ATP/UTP双再生策略以维持核苷酸供应。在优化条件下，该系统在24小时内可合成1.28 g/L的HA，其分子量范围为1.28×10⁴-1.02×10⁶ Da，底物转化率达到65.9%。这项工作不仅为规模化HA合成提供了一个经济平台，也为复杂生物聚合物建立了一个模块化的酶促工程化生产示范，在合成糖生物学领域展示了广泛的应用潜力。

图1. HA前体的合成代谢途径和HA的无细胞生物合成途径

图2. HA-前体的酶促合成

图3. UDP-GlcNAc和UDP-GlcA合成的组合优化

图4. 通过生成核苷酸前体进而合成HA

图5. HA的合成及产物表征

图6. 核苷酸循环系统的构建与HA生物合成验证

近年来，本研究室通过与山东焦点福瑞达生物股份有限公司开展紧密产学研合作，以合成生物学科学理论为指导，在糖胺聚糖尤其是透明质酸高效合成细胞工厂构建、高性能透明质酸酶研发、中低分子量透明质酸的生物制造与细胞/动物水平的功效评价、透明质酸的化学-酶法修饰、透明质酸在日化、食品、医药等领域的应用与产品开发及产业转化方面开展了系统性工作并取得了丰硕成果，相关研究工作已发表在ACS Synthetic Biology (2025)、Frontiers in Bioengineering and Biotechnology(2025)、Biotechnology Advances(2024)、Marine Drugs (2024)、International Journal of Biological Macromolecules (2024)、Applied Microbiology and Biotechnology (2024)、Journal of Biotechnology (2023)、Carbohydrate Polymers (2023)、Biotechnology Advances (2022)、ACS Synthetic Biology (2021)、Carbohydrate Polymers (2021)等本领域权威期刊。