近日，Trends in Food Science & Technology在线发表了江南大学糖化学与生物技术教育部重点实验室刘龙教授课题组的综述论文“Sustainable bioproduction of natural sugar substitutes: Strategies and challenges” (Xu et al., Trends in Food Science & Technology. 2022. 129: 512-527)。2018级博士生徐雅梦为论文第一作者，刘龙教授为论文通讯作者。天然代糖具有安全、稳定、低/无热量等特点，已被广泛应用于食品、饮料等行业。根据分子大小和结构类型的差异，天然代糖可分为单糖、低聚糖、糖醇、糖苷和甜蛋白质五种类型。目前天然代糖主要来源于植物提取，而糖类物质属于次生代谢产物，在植物中的丰度较低。此外，植物生长具有季节依赖性，且提取过程复杂，这限制了天然代糖的大规模生产。与传统的植物提取法相比，微生物发酵法具有原料可再生、清洁、绿色等典型特征。因此，基于合成生物学、代谢工程等手段构建高效合成天然代糖的微生物细胞工厂，对天然代糖的大规模生产和应用具有重要的意义。然而，在微生物细胞工厂构建过程中面临关键酶的催化活性低、异源基因过度表达易引起代谢流失衡、目标产物胞内累积增加细胞代谢压力等问题，给细胞工厂的构建带来了挑战。近年来，基于机器学习的细胞工厂设计、CRISPR的基因组编辑技术、遗传回路的细胞代谢多模块有序调控等新型合成生物学工具不断出现，这为将更多的天然代糖推向未来市场带来了广阔的机遇。在这篇综述中，我们首先介绍并分析了单糖、低聚糖、糖醇和糖苷类代糖生物合成途径的异同；其次，系统地阐述了合成生物学、代谢工程、蛋白质工程等工具在天然代糖微生物细胞工厂构建中的应用，并从宿主类型、生物安全、底物、产率、合成方式等多方面对已报道的天然代糖细胞工厂的特征进行了描述；随后，分析并讨论了天然代糖微生物细胞工厂构建过程中面临的挑战；最后，基于计算机技术的蛋白质设计与改造、转运体工程、基因组尺度代谢网络模型等新型高效的合成生物学工具，我们提出了应对这些挑战可能的解决方案。上述研究工作得到了国家重点研发项目（2020YFA0908300）、国家自然科学基金（32021005、31930085、31870069）、中央高校基本科研专项资金（JUSRP52019A、JUSRP121010、JUSRP221013、SKLF-ZZB-202106）、国家博士后创新人才计划（BX2021113）等项目的资助。

图1人工代糖与天然代糖的分类示意图

图2不同类型的天然代糖生物合成途径示意图

图3构建单糖类天然代糖合成细胞工厂的策略示意图

图4构建寡糖类天然代糖合成细胞工厂的策略示意图

图5构建糖醇类天然代糖细胞工厂的策略示意图

图6构建糖苷类天然代糖合成细胞工厂的策略示意图