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糖核苷酸是不同单糖异头体羟基与核苷二磷酸或核苷一磷酸形成的衍生物,其作为自然界中单糖活化的高能形式,在Leloir型糖基转移、生物合成、糖基化修饰等多个方面具有重要的作用,其中尤以尿苷二磷酸化的糖类应用较为广泛。尿苷二磷酸葡萄糖（uridine-5’-diphosphate glucose,UDP-Glc）是尿苷二磷酸糖类中最为基础的一员,其不仅作为单糖供体直接参与糖基转移酶（glycosyltransferase,GTFs）催化的葡萄糖转糖基反应,也是合成尿苷二磷酸半乳糖、尿苷二磷酸木糖、尿苷二磷酸鼠李糖等其他尿苷二磷酸糖类的前体;UDP-Glc在生物信号通路、靶点研究等各个方面也发挥着重要的作用。其脱氢衍生产物——尿苷二磷酸葡萄糖醛酸（uridine-5’-diphosphate glucuronic acid,UDP-GlcA）是动物细胞内九种糖核苷酸之一,作为单糖供体参与体内多种活性糖链的生物合成,也是糖胺聚糖（glycosaminoglycans,GAGs）等多种人源寡糖体外酶法合成体系的重要底物分子。因此,若能建立高效、经济的UDP-Glc及UDP-GlcA的规模化合成方法,将具有明显的研究价值。已报道的糖核苷酸制备方法耗时长、造价昂贵、操作繁琐。其中,直接提取法原料来源有限、得率极低;化学合成法因糖类结构的复杂导致步骤繁琐且合成过程环境友好性差;体外酶法合成过程高效快速,产物纯度高,是目前主要的糖核苷酸制备方法,其在实验室制备规模可以达到100 mg级别。但在体外酶法合成中,工具酶分子需经纯化且稳定性差,限制了合成规模的扩大及产物成本的控制。全细胞催化策略具有酶法合成高效专一的特点且避免了蛋白纯化步骤,是实现更高效制备低成本糖核苷酸的有效途径。针对全细胞催化制约产率的缺陷,常采用增加细胞膜通透性的方式解决。高温的全细胞催化过程有利于细胞破裂,酶分子溢出或大分子底物进入细胞参与反应,有效缓解了细胞通透性制约全细胞催化效率这一矛盾;此外,当反应底物或产物为内源代谢途径的底物时,高温催化环境抑制除重组高温催化分子外的其他酶分子的活性,减少副反应的发生,有利于目标产物得率的提高。基于以上理论,本课题构建了一种全新的高温全细胞催化合成体系,并通过简单的离子交换层析纯化获得了低成本UDP-Glc和UDP-GlcA。具体内容包括:（1）以可溶性淀粉作为原料,以超表达高温α-葡聚糖磷酸化酶TmαGP（来自Thermotoga maritima）的大肠杆菌细胞作为催化媒介,合成葡萄糖-1-磷酸（glucose-1-phosphate,Glc-1-P）,再引入尿苷三磷酸（uridine triphosphate,UTP）和超表达高温尿核苷二磷酸糖焦磷酸化酶StUSP（来自Sulfolobus tokodaii）的大肠杆菌细胞催化合成UDP-Glc。通过对合成体系中的各反应条件的优化,最终得到的UDP-Glc产率为2.6 g/L反应液,UTP转化率为46%;（2）在此全细胞催化体系中又引入第三个全细胞——同时超表达高温UDP-Glc脱氢酶PiUDH（来自Pyrobaculum islandicum）与高温氧化态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸/还原态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide in oxidation state/nicotinamide adenine dinucleotide in reduced state,NAD+/NADH）循环系统的大肠杆菌工程细胞,成功实现在无需额外添加外源NAD+的情况下,最终合成获得UDP-GlcA。经过反应条件优化,UDP-GlcA得率为1.3g/L反应液,UDP-Glc的转化率实现100%。（3）基于离子交换层析,针对本论文的全细胞催化体系,建立了低成本的的UDP-Glc和UDP-GlcA的纯化方法,产物回收率>85%。该全细胞高温合成体系的建立,不但实现了低成本UDP-Glc和UDP-GlcA的高效合成,促进了糖链酶法合成技术体系的产业化应用,而且研究成果对其他核苷酸活化单糖的规模化制备具有示范价值。