glutamicum
Các chủng vi sinh vật có khả năng tổng hợp L-lysine đều đồng hóa được glucose, sucrose, fructose, saccharose. Tuy nhiên, chúng không đồng hóa được lactose, rafinose và pentose [4]. Con đường chuyển hóa cơ chất thành L-lysine được thể hiện ở sơ đồ dưới đây. Glucose Pyruvate Con đường EMP Oxaloacetate ATC Aspartate β - Aspartyl- phosphate Aspatate -β- semialdehyte Lysine Methionine Homogerin Threonine Isoleucine
Cơ chất được vận chuyển từ môi trường ngoài vào trong cytosol nhờ các kênh protein vận chuyển. Tại đây, cơ chất được biến đổi thành glucose. Trải qua một loạt các phản ứng, pyruvate được hình thành, sau đó biến đổi thành oxaloacetate. Oxaloacetate biến đổi thành aspartate - tiền chất trong quá trình sinh tổng hợp L-lysine. Phản ứng mở đầu cũng là phản ứng quan trọng nhất trong quá trình này là từ aspartate thành aspartyl phosphate dưới sự xúc tác của enzyme aspartate kinase do gen lysC mã hóa [12]. Vì lý do nào đó, phản ứng đầu tiên không diễn ra thì cả quá trình cũng không thể diễn ra. Vì vậy, enzyme aspartate kinase trở thành enzyme then chốt trong con đường sinh tổng hợp L-lysine. Aspartyl phosphate tiếp tục được biến đổi thành aspartate semialdehyte. Từ đây, con đường tổng hợp được chia thành hai nhánh: một nhánh tổng hợp methionine và threonine, một nhánh tổng hợp lysine. Theo nhánh thứ nhất, methionine và threonine được hình thành từ homoserine. Nhánh thứ hai tổng hợp lysine xảy ra đồng thời với nhánh thứ nhất. Sau khi L-lysine nội bào hình thành sẽ được tiết ra ngoài gọi là L-lysine ngoại bào nhờ enzyme permease do gen lysE mã hóa. Như vậy, sản phẩm cuối cùng của quá trình sinh tổng hợp L-lysine không chỉ có L-lysine mà còn có methionine và threonine, đây là hai chất ức chế ngược đối với quá trình này. Cụ thể, methionine và threonine sẽ ức chế sự hoạt động của enzyme aspartate kinase bằng cách thay đổi cấu trúc trung tâm hoạt động của enzyme, khiến enzyme không gắn được với cơ chất, phản ứng đầu tiên không diễn ra. Kết quả là quá trình sinh tổng hợp dừng lại, không tiếp tục sản sinh L-lysine. Đây là cơ chế vi sinh vật sản xuất vừa đủ lượng amino acid cần cho hoạt động sống của chúng. Khi methionine và threonine được vi sinh vật sử dụng hết, nhân tố ức chế không còn, quá trình sinh tổng hợp lại tiếp tục. Tuy nhiên, lượng L- lysine sinh ra từ cơ chế này rất ít.
Để tạo ra chủng có khả năng sinh tổng thừa L-lysine, một số nghiên cứu đã gây đột biến khuyết dưỡng homoserine đối với Corynebacterium glutamicum. Từ đó, methionine và threonine không được tạo thành, con đường sinh tổng hợp chỉ đi theo nhánh hai. Một hướng khác là tạo ra chủng đột biến mang gen lysC kháng ức chế ngược hay không nhạy cảm với tín hiệu ức chế ngược. Năm 1990, gen lysC hoàn toàn không nhạy cảm với ức chế ngược của chủng DM 58-1 đã được phân lập. Nghiên cứu này đồng thời đưa ra mô hình cấu trúc chồng lấp của gen lysC bao gồm 2 tiểu đơn vị
lysCα và lysCβ, trong đó lysCβ chịu trách nhiệm kháng ức chế ngược. Việc tạo dòng gen lysC kháng ức chế ngược trong chủng Corynebacterium glutamicum ATCC13032 hoang dại đã thu được lượng L-lysine 38mM, trong khi chủng bố mẹ cho sản lượng không đáng kể [12]. Jetten và cộng sự (1995) đã phân tích ảnh hưởng của số lượng bản sao gen lysC đột biến đến khả năng sinh trưởng và sinh L-lysine của chủng
Brevibacterium lactofermentum ATCC 21799. Kết quả cho thấy, chủng mang hai bản sao gen lysC đột biến đã sản xuất một lượng L-lysine lớn hơn nhiều so với chủng bố mẹ [12].
Như vậy, để tăng khả năng sản xuất L-lysine của vi sinh vật, đa số tác giả chọn giải pháp can thiệp vào hệ gen. Tuy nhiên, chủng đột biến có nhược điểm là dễ thoái hóa, sản lượng không ổn định, gen đột biến dễ phát tán. Trong nghiên cứu này, chúng tôi chọn giải pháp tối ưu hóa môi trường lên men và kỹ thuật lên men fed-batch để nâng cao năng suất thu nhận L-lysine.