本文是由Lei Zhu（大连工业大学生物工程学院）、Zhefeng Wang和Le Gao（中国科学院天津工业生物技术研究所合成生物学国家技术创新中心）以及Xiaoyi Chen（大连工业大学）共同撰写的综述论文，题为《Unraveling the Potential of γ-Aminobutyric Acid: Insights into Its Biosynthesis and Biotechnological Applications》，于2024年8月19日发表在期刊《Nutrients》上（Volume 16, Issue 16, Article 2760）。论文聚焦γ-氨基丁酸（GABA）的生物合成机制、结构特性及生物技术应用，系统梳理了GABA在微生物、植物和动物中的生理功能及其工业化生产策略。
GAD是GABA合成的限速酶，依赖磷酸吡哆醛（PLP）作为辅因子。论文详细解析了不同来源GAD的结构差异：
- 微生物GAD（如大肠杆菌GadB）在酸性条件下形成六聚体活性结构，其N端和C端构象变化与pH密切相关。例如，大肠杆菌GadB在pH中性时因C端β-发卡结构阻碍底物结合而失活，而在pH 4.8时N端形成α-螺旋，激活酶活（Capitani et al., 2003）。
- 植物GAD（如拟南芥AtGAD1）具有独特的钙调蛋白（CaM）结合域，其活性受Ca²⁺/CaM双通路调控，在植物应激响应中起关键作用（Snedden et al., 1995）。
- 动物GAD分为GAD67和GAD65两种亚型，前者维持基础GABA水平，后者在神经活动急需时被激活。晶体结构显示，GAD67的催化环（Tyr434）通过氢键动态调节活性中心（Fenalti et al., 2007）。
论据支持：通过对比微生物（表1）、植物（表2）和动物（表3）GAD的最适pH与温度数据，论文指出GAD的酶学特性与其宿主生存环境高度相关。例如，水生生物GAD的最适温度普遍低于30°C，而陆生动物GAD多为37°C。
论文提出三种优化GABA产量的方法：
- 发酵条件优化：例如乳酸菌LB-2在35 g/L蔗糖和32 g/L蛋白胨培养基中产量最高（Li et al., 2021），而添加Mg²⁺或Cl⁻可提升GAD活性（Larute et al., 2022）。
- 代谢工程：通过重构大肠杆菌代谢网络，使细胞生长阶段与GABA生产阶段分离，产量提高3倍（Soma et al., 2021）。
- GAD定向进化：截短乳酸乳杆菌GAD的C端11个残基并引入4个突变（如E313S），使其中性pH下活性提升62.4%（Yang et al., 2022）。
论据支持：作者引用突变体GADB∆C11在7.5小时内生产270.42 g/L GABA的数据（Lyu et al., 2021），证明酶改造的工业化潜力。
论文系统总结了GABA的多重生理效应：
- 神经调节：作为中枢神经系统主要抑制性神经递质，GABA可缓解焦虑（Felice et al., 2022）并具有神经营养作用（Zhong et al., 2023）。
- 代谢调控：通过激活胰岛β细胞GABA受体维持血糖平衡（Hagan et al., 2022），动物实验显示其可降低2型糖尿病小鼠体重（Zhang et al., 2023）。
- 农业与食品：GABA作为植物抗逆调节剂，能提升种子萌发率（Khan et al., 2021）；在发酵食品（如豆渣）中通过微生物转化富集GABA（Zhang et al., 2022）。
论据支持：临床试验表明，GABA补充剂使多囊卵巢综合征（PCOS）大鼠的BMI和睾酮水平显著下降（Ullah et al., 2023）。
论文指出：
- 安全菌株开发：现有产GABA微生物多为细菌，存在内毒素风险，需拓展酵母等真核宿主。
- GAD机制研究不足：尤其是动物GAD65/67的构象变化与神经疾病关联需进一步解析。
- 工业化瓶颈：实验室规模到产业化的工艺稳定性问题，如5L反应器中GABA产量达307.5 g/L（Yang et al., 2022），但放大生产时效率下降。
该综述首次整合了GABA从分子结构到产业应用的跨学科研究进展，其价值体现在：
1. 科学层面：阐明GAD的进化保守性与物种特异性，为酶工程提供结构基础。
2. 应用层面：提出代谢工程与发酵优化协同策略，推动功能性食品和药物开发。例如，GABA作为降压成分已用于日本发酵乳制品（Takahashi et al., 1961）。
3. 社会效益：GABA在农业（抗逆作物）、医疗（神经疾病靶点）和环保（生物法替代化工合成）领域的潜力被系统性论证。
本文通过500余篇文献的梳理，建立了GABA研究从实验室到产业的完整知识框架，对生物制造、营养医学和农业生物技术领域具有重要指导意义。