糖苷是一类重要的次级代谢天然产物,由一个或多个糖基结合到苷元如酚类、黄酮、聚酮类、生物碱和帖类化合物上形成。糖基化对苷元的理化性质和生物活性有显著的影响,如溶解度、稳定性、药理活性,使苷类在医药、食品、保健方面具有更好的应用前景。例如,红景天苷作为传统草本植物红景天的活性成分,被亚欧国家广泛应用于脑缺血、疲劳、缺氧和神经退化性疾病。目前,构建微生物共培养系统作为新一代代谢工程和合成生物学策略,已经开始用于克服单菌培养的缺点。把复杂冗长的生物合成途径分配到不同的菌株中进行,不仅提高天然产物的产率,同时减少代谢抑制,优化宿主菌的代谢途径。微生物共培养系统已经运用于生产各种天然产物,包括紫杉醇前体、丹参酮前体、黄酮类化合物、洛伐他汀。然而,为了稳定菌群比例需要重构菌株间的相互关系,这是利用共培养系统生产天然产物急需解决的科学问题。因此,我们设计了利用混糖汇聚式合成红景天苷的大肠杆菌共培养系统。苷元(AG)菌株负责高产酪醇,糖基化(GD)菌株负责供应UDP-葡萄糖,合成红景天苷。酪醇从AG菌株中分泌出来并转运到GD菌株中,糖基化后生成红景天苷。为了构建更加紧密的合作关系,我们将AG和GD菌株分别设计为苯丙氨酸和酪氨酸缺陷型。这样,他们互利共生,AG过表达酪氨酸供GD菌株使用,GD菌株过表达苯丙氨酸供AG菌株使用。为了避免两菌株对碳源的竞争,我们将AG菌株改造为优先利用木糖而GD菌株只利用葡萄糖。对两菌株分别进行代谢工程改造优化,提供充足前体。然后通过调整碳源比例和接种比例平衡代谢强度,形成高效、稳定、坚固的共培养系统。以葡萄糖和木糖为混合碳源,发酵生产6.03g/L的红景天苷,是用单菌效率的20倍以上。这是首次在共培养系统中合成红景天苷,更换糖基化基因,该系统可灵活地用于生产其他重要糖苷产物。