西安交大联合湖北大学在开发非模式微生物的生物制造研究方面取得重要进展。

西部网讯 生物经济的快速增长离不开高产、稳定、具有自主知识产权的工业菌株。尽管天然工业菌株具有多样性、适应性和稳定性等优点，但它们在代谢途径、底物利用、产品得率、基因编辑工具和遗传改造方面存在挑战。因此，将非模式微生物人工改造为高效细胞工厂，对于推动生物经济的绿色、低碳和循环发展至关重要。

近日，西安交通大学教授费强团队联合湖北大学教授杨世辉团队围绕非粮基平台化合物的高效生物制造，以非模式微生物底盘细胞为研究对象，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精细化学品高产稳产菌株，成功突破了非模式底盘细胞合成精细化学品的产量和产率瓶颈。

图1：模型指导下的运动发酵单胞菌细胞工厂的构建和优化

图2：主流代谢受损的中间底盘的开发和应用

图3：非模式底盘细胞工厂生物制造的TEA和LCA

这项研究首先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（图1），为代谢途径的理性设计提供了科学指导。在此基础上，研究人员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）。进一步从中间底盘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 g/L和104 g/L的D-乳酸，转化率>0.97 g/g，手性纯度高达99.9%。此外，本研究利用技术经济可行性分析（TEA）和全生命周期评价（LCA）证实了以非粮原料生产精细化学品的商业潜力及CO2减排能力（图3），为非粮高效生物制造的产业化落地和助力实现 “碳中和”目标提供了理论和实践基础。

该研究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，也为工程化改造嗜甲烷菌等其他非粮生物利用底盘微生物实现工业性能提供了重要参考和全新策略。并在国际著名期刊《自然•通讯》上，以“Paradigm of engineering recalcitrant non-model microorganism with dominant metabolic pathway as a biorefinery chassis”为题，发表了研究论文。湖北大学杨世辉教授、何桥宁副教授和西安交通大学费强教授为该论文的共同通讯作者。

编辑：李卓然