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利用单一菌株发酵生产各类化学品已经取得了巨大的成功，但单一菌株的代谢能力有限，不适合生产生物合成途径长或结构复杂的化学品。具有稳定、可调节的微生物共培模式能实现高效生产和工艺放大。尽管如此，合理设计一个稳定的微生物联合体仍然是具有挑战性的，例如不同菌株的接种率、菌株间的竞争都会影响到发酵的稳定性。近日，北化工的袁其朋和孙新晓为共同通讯在“NatureCommunications”上发表了题为“Designofstableandself-regulatedmicrobialconsortiaforchemicalsynthesis”的文章。该文描述了设计多代谢物交叉饲养模式提高共培养菌株的稳健性，从而适合生产生物合成途径长、结构复杂的化学品。研究团队目标建立“共生模式”的菌株组合，减少菌株间的竞争并增加互惠。在减少竞争方面，研究人员分别构建了不互相抢夺碳源的葡萄糖利用菌株Bglc1（阻断甘油分解途径）和甘油利用菌株Bgl1（阻断与葡萄糖转运和代谢途径）。随后，为建立互惠关系，生长代谢的必须产物成为菌株联系的桥梁。谷氨酸是氨基酸代谢的核心，因此被作为本研究第一种交叉饲喂的物质。这就要求其中一种菌株不得产生谷氨酸且必须借助另一株菌释放的谷氨酸得以生存。为此，在Bglc1的基础上敲除了谷氨酸两条合成途径的关键酶基因（谷氨酸脱氢酶(glutamatedehydrogenase,gdhA)和谷氨酸合成酶(glutamatesynthase,gltBD)）获得了Bglc2。这一改造使Bgl1成为优势菌株，与此同时，两种菌株在3种不同初始接种比例下生长7h后获得稳定的生物量。即使有了这样的效果，但48h的生物量仍然在较大的范围内（74.8~87.8%）浮动，可能的原因是单一代谢物的相关性相对松散，Bgl1没有受到限制，不足以在不断变化的培养条件下保持稳定性。为进一步控制Bgl1，研究者从能量模块出发选则敲除ppc阻止碳流入TCA循环，获得菌株Bgl2。经验证，该菌株必须依赖环境中提供的多种羧酸才能生长。新的菌株组合能密切联系，维持稳定的生物量。接下来，研究团队利用上述菌株组合首先应用于生产红景天苷。由Bgl2负责上游酪氨酸的生物合成，而利用Bglc2负责下游酪氨酸到红景天苷的转化。在整个培育期内，两菌株的共培养能够在生物反应器中抵抗干扰并保持稳定，为其工业化应用奠定了基础。第二个应用于松柏醇的生产，由Bgl2负责上游咖啡酸的生产，并作为前体用于Bglc2作进一步催化合成。为实现菌株的自我调控，研究者设计了响应咖啡酸的生物传感器，由Bgl2产生的咖啡酸激活Bglc2中谷氨酸脱氢酶的表达，Bgl2的生物量随之提高，使松果醇的滴度显著提高。最后，在生产更复杂的化合物——水飞蓟宾/异水飞蓟宾方面，Bgl2-Caf作为咖啡酸产生菌，Bglc2分别转化了表达催化酶的质粒（Bglc2-Con(b)和Bglc2-Sil(b)），以Bgl2-Caf生产的咖啡酸为底物分别生产丁香酚和紫杉醇，两种物质进一步在Bglc2-Sil(b)合成水飞蓟宾/异水飞蓟宾。此外，Bglc2-Sil(b)同样使用上述的咖啡酸传感器，当咖啡酸积累时提高生物量。综上所述，该文的创新性在于使用多物质交叉饲喂提高共培养菌株的稳定性，重要性在于可提高菌株的稳健性，更具有生产复杂化学品的优势。（王雨舟摘译）licme


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