声明：因水平有限，错误不可避免，或有些信息非最及时，欢迎留言指出。本文仅作合成生物学相关介绍；本文不构成任何投资建议。近日，湖北大学杨世辉教授研究团队在开发非模式微生物运动发酵单胞菌为非粮平台化合物高效生物炼制底盘方面取得重要研究进展。该研究以非模式微生物底盘细胞运动发酵单胞菌为范例，构建了酶约束的高精度全基因组代谢网络模型，提出了“主流代谢途径弱化中间底盘”工业菌株改造新策略，并以中间底盘为基础构建了D-乳酸高产稳产菌株，可以利用非粮水解液“脏糖”生产生物基乳酸，显示出良好的经济性和降低CO2排放的环保效益。该研究成功突破了运动发酵单胞菌必须生产乙醇才能生存而制约其作为非粮平台化合物生物炼制底盘的瓶颈，为其它模式与非模式微生物底盘细胞的改造提供新的改造策略和参考，在著名期刊Nature Communications 上发表了题为“Paradigm of engineering recalcitrant non-model microorganism with dominant metabolic pathway as a biorefinery chassis”的研究论文。湖北大学杨世辉教授、何桥宁副教授，西安交通大学费强教授为该论文的共同通讯作者；湖北大学2022级博士生晏雄鹰和2023级博士生鲍伟威为该论文的第一作者。湖北大学马立新教授，陈守文教授和中国科学院天津工业生物技术研究所马红武研究员分别在基因组编辑、代谢流分析、高精度基因组代谢网络模型构建完善提供了重要帮助。上述工作得到国家重点研发计划（No. 2022YFA0911800）、湖北省国际科技合作基地（No. SH2318）、湖北省技术创新计划项目（No. 2024BCB025）、武汉市科技创新局技术成果转化项目（No. 2024030803010187）等项目和省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室的资金支持。生物经济的高速发展需要更多具有自主知识产权的高产稳产工业菌株。除了利用信息丰富、遗传改造工具高效的模式菌株构建应用于不同领域的工业菌株，亟需拓宽底盘细胞范围，充分开发利用具有优良工业生产性能的非模式菌株。
天然工业菌株尽管拥有品种多、适应工业生产环境性能强、菌株稳定性好等优势，但也面临代谢途径复杂、底物利用有限、产品得率低、基因编辑工具少、遗传改造难等瓶颈问题。因此，改造非模式微生物为高效生物炼制细胞工厂，获得高产稳产的工业菌株，成为实现生物经济的绿色低碳可循环发展的关键。
在湖北大学和省部共建酶催化国家重点实验室的支持下，杨世辉教授团队以具有独特优势的天然乙醇生产菌株运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis）为研究对象，开发了整合系统生物学信息的一站式知识数据库平台，促进对工业菌株特性的充分认识。创建了具有自主知识产权的内外源基因组编辑工具，并建立成通用基因组高效编辑工具包。克服非模式多倍体工业菌株认知少、工具缺、改造难、产物单一的痛点；建立基于运动发酵单胞菌的大宗平台化合物非粮生物炼制细胞工厂，以多元生物基原料生产多种生物燃料、生物农药、生物材料及其前体，如乙醇、乳酸、异丁醇、2,3-丁二醇、PHB等。
在这项工作中，通过优化全基因组代谢网络模型iZM516，并增加酶约束条件，构建了运动发酵单胞菌高精度酶约束代谢网络模型eciZM547。该模型成功指导运动发酵单胞菌C2-C5化合物的生产，实现了包括丁二酸、乙二醇、乙醇酸、1,4-丁二醇、1,3-丙二醇等系列细胞工厂的构建（图1）。为代谢途径的理性设计提供了科学指导。
模型指导下的运动发酵单胞菌细胞工厂的构建和优化
图源：上述论文
研究发现，运动发酵单胞菌天然主流乙醇途径严重影响其它化合物的生产。为克服这一限制，研究者在高精度酶约束代谢网络模型指导下，开发了一种主流代谢受损的中间底盘（DMCI）策略，通过构建了低毒、辅因子不平衡的2,3-丁二醇途径（中间底盘ZMB3）来调整代谢流，从而实现了乙醇途径的完全阻断（图2）。碳代谢流结果进一步显示，几乎96%的碳源绕过主流乙醇代谢途径，用于2,3-BDO生产。
为了验证主流代谢受损的中间底盘在大宗平台化合物生产中的优势，研究人员从中间底盘ZMB3出发，构建得到乙醇途径完全阻断的D-乳酸生产重组菌株（ZMB6），该菌株可以从葡萄糖和玉米芯残渣水解液中分别生产超过140.92 g/L和104.6 g/L的D-乳酸，转化率>0.97 g/g（图2），手性纯度高达99.9%。
主流代谢受损的中间底盘的开发和应用
图源 ：上述论文
此外，技术经济可行性分析（TEA）和全生命周期评价（LCA）证实了以木质纤维素为原料生产D-乳酸的商业潜力及CO2减排能力（图3）。TEA结果显示，D-乳酸最低售价（MSP）$ 0.28-0.45/kg，远低于以淀粉、葡萄糖、糖蜜为原料的乳酸的MSP，具备明显的竞争优势。除此之外，LCA结果则指出利用该技术生产每吨D-乳酸可减少22.51吨CO2排放量。本研究提出了主流代谢受损的中间底盘新策略用于指导大宗平台化合物底盘细胞的高效构建，构建利用非粮水解液“脏糖”高产D-乳酸的重组菌株，这项工作不仅拓宽了运动发酵单胞菌作为优良生物炼制底盘细胞的生产应用范围，也为工程化改造工业菌株提供参考。
D-乳酸细胞工厂的技术经济分析和生命周期评估
图源：上述论文
团队长期致力于以非模式微生物运动发酵单胞菌为底盘细胞，使用系统与合成生物学技术开展微生物细胞工厂的理性设计与高效构建，推动绿色生物制造领域产品的研发和应用，助力生物经济和双碳目标实现。建立了工业菌株通用基因组高效编辑工具包及整合系统生物学信息的一站式知识数据库平台ZymOmics，实现了运动发酵单胞菌连续高效编辑基因编辑技术的突破(Trends in Biotechnology, 2024, DOI: 10.1016/j.tibtech.2024.05.)。在此基础上，团队在该研究中进一步提出底盘改造理论创新策略（DMCI）,真正意义上实现了主流乙醇途径的阻断和D-乳酸高产稳产菌株的构建。团队及其孵化公司武汉睿嘉康生物科技有限公司协同努力，构建了非粮平台化合物高产稳产工业菌株，实现了生物基乙醇千吨级中试及D-乳酸百吨级中试；未来团队将会进一步拓展中间底盘细胞的应用，实现更多生物化学品的非粮高效生物制造及产业化落地。杨世辉，博士，湖北大学教授，博士生导师，国家高层次留学人才项目资助人选、湖北省重点人才计划特聘教授、湖北省重点联系专家、3551创业人才，中国生物发酵产业协会理事会理事，中国化工学会生物化工专委会委员，中国微生物协会分子微生物学及生物工程专业委员会委员，全国技术产品文件标准化技术委员会第二届通用规则分技术委员会委员；湖北省合成生物学学会副理事长兼秘书长。本硕博毕业于湖北大学、武汉大学及美国加州大学河滨分校。曾先后任职美国能源部橡树岭国家实验室及美国国家可再生能源实验室。主要从事合成生物学以及生物制造等方面研究；主持包括科技部合成生物学重点研发计划“工业菌株重编程优化及应用”项目、自然科学基金面上与联合项目等多项国家及省部级项目；先后在Nature Biotechnology、Nature Communications、Trends in Biotechnology、PNAS、Nucleic Acids Research等期刊发表论文 120余篇，引用5400余次，H-index 42。获美国授权发明专利7项、中国发明专利授权23项、专利转让17；获2024年国家“发明创业奖人物奖”。担任Biodesign Research共同执行主编及《生物工程学报》等期刊编辑与编委。何桥宁，博士，湖北大学副授，湖北省首期“青年拔尖人才培养计划”项目获得者，湖北省合成生物学学会理事。长期从事合成生物学、微生物代谢工程等合成生物制造研究。作为负责人主持国家重点研发计划项目子课题、国家自然科学基金和湖北省科技厅技术攻关等国家及省部级项目。先后在Trends in Biotechnology、Nature communications、Green Chemistry、Metabolic Engineering等期刊发表SCI文章30余篇，授权国内外发明专利7项。担任Biodesign Research青年编委。费强，西安交通大学教授、博导，国家重点研发计划项目首席科学家，中国生物工程学会一碳生物技术专委会秘书长、国家合成生物技术创新中心共建单位负责人、陕西省杰青基金获得者、陕西青年创新团队负责人、西安市重点实验室主任、中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛总决赛金奖指导教师。长期围绕甲烷等一碳气体的微生物固定及其高值化开发，攻关解决了生物转化一碳气体合成饲料、食品、能源、天然产物等产品的关键技术。作为第一/通讯作者在国内外知名期刊发表学术论文60余篇，撰写中英文教材/专著（章节）8部，申请/授权国家发明专利20余件。担任中国化工学会生物化工专委会委员、中国微生物学会普通微生物学专委会委员及多个国内外期刊编委。团队围绕绿色生物制造和一碳生物技术的创新链和产业链，利用合成生物学和高密度发酵等先进技术改造和优化嗜甲烷菌细胞工厂，合成制造低成本、低碳排放和可持续发展的蛋白饲料、生物多糖、可降解材料、天然产物分子、生物航煤等生物基产品，并对相关产品的商业化生产过程进行技术经济可行性分析（TEA）及全生命周期评价（LCA），部分研究成果已具备投入中试生产的条件。近5年来，主持国家重点研发计划项目、政府间国际合作项目、国家自然科学基金、陕西省重点研发计划项目、国重室开放课题、校企联合课题等20余项科研攻关项目。--Yan, X., Bao, W., Wu, Y. et al. Paradigm of engineering recalcitrant non-model microorganism with dominant metabolic pathway as a biorefinery chassis. Nat Commun 15, 10441 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54897-5
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