专访杨世辉丨湖北大学团队以运动发酵单胞菌为底盘细胞，推动非粮大宗醇酸合成生物制造产业化发展

　　以木质纤维素等非粮废弃生物质为原料实现重大平台化合物的生产具有保护环境，助力双碳目标实现的重要意义。 作为地球上丰富的可再生有机资源，木质纤维素类生物质可为生产清洁燃料和化工产品提供充足原料。 木质纤维素类生物质主要成分为纤维素、半纤维素和木质素。

　　“生物利用条件温和，木质纤维素属于非粮原料，不存在与人争粮、与粮争地的问题。同时木质纤维素是可再生原料，有助于绿色环保及双碳目标的实现，是国家政策大力支持的方向及生物经济的四个重要组成部分之一。” 教授表示。

　　教授 1993 年本科毕业于湖北大学。毕业从事医药相关工作四年后考入武汉大学生命科学学院攻读硕士学位，师从教授，主要研究氨基酸高产菌株的构建与应用。2000 年前往美国加州大学河滨分校攻读微生物博士学位，师从美国国家科学院院士及美国植病协会主席 教授，后随从 教授到美国威斯康星大学 Milwaukee 分校，进行 2 年博士后研究，主要通过基因组学方法研究微生物与植物相互作用的分子机制。2007 年加入美国能源部橡树岭国家实验室，在 的领导下开始运动发酵单胞菌系统生物学研究。2011 年加入美国国家可再生能源实验室，继续以运动发酵单胞菌为研究对象，结合系统生物学及代谢工程等技术手段，构建运动发酵单胞菌纤维素乙醇高产工业菌株，致力于生物能源产业化实现。

　　运动发酵单胞菌：

　　酿酒酵母之外的另外一种天然乙醇生产微生物，为革兰氏阴性菌；大多呈直杆状，尾端呈圆形或卵圆形，有 1～4 根鞭毛，常成对存在，但很少集结成短链状；兼性厌氧条件生长，高度耐受酒精、高度耐受葡萄糖，只要含有葡萄糖、果糖或蔗糖，就很容易在液体培养基中生长。

　　现为湖北大学生命科学学院楚天学者特聘教授，省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室副主任， 从事生物质能源、代谢工程及合成生物学方向研究 。 实验室研究 目标是 以重要非模式工业微生物 运动发酵单胞菌 为底盘细胞 ， 建立系统与 合成生物学平台体系 ， 构建 具有自主知识产权的 细胞工厂， 推动以木质纤维素等非粮废弃生物质为原料厌氧发酵生产大宗醇酸平台化合物的产业化进程 ，助力绿色合成生物制造及双碳目标实现。

　　计划与相关公司合作，进行纤维素醇酸产品的小试与中试

　　2016 年，回到湖北大学，建立 “细胞工厂合成与应用” 实验室，实验室的主要目标为：利用系统生物学及遗传手段探索制约木质纤维素水解液高效生物利用的瓶颈及对策，开发合成生物学平台体系，构建高效利用木质纤维素、产品多样、鲁棒性强的细胞工厂，以实现木质纤维素生物产品的产业化应用。

　　正如上文所说，木质纤维素的生物利用具有较大优势，但也存在难点。

　　解释道，其一，木质纤维素组成成分复杂，导致预处理与酶水解工艺复杂，在预处理与酶水解过程中除了产生葡萄糖和木糖等微生物可利用的碳源，还会产生多种抑制工业菌株生长的抑制物如弱酸、醛和酚等有毒化合物；

　　其二，缺乏高效利用木质纤维素水解液的菌株。目前工业生产菌株改造主要利用生产性能差但遗传工具丰富的模式微生物，或者是尽管具备优良生产性能但遗传工具缺乏的非模式微生物。这些微生物往往不容易同时高效利用葡萄糖与木糖等五碳糖，尤其是在水解液存在抑制物的情况下；导致工业菌株生长周期长、碳原子回收率与生产效率低等问题。

　　而教授团队所采用的工业微生物是运动发酵单胞菌，该菌在利用木质纤维素上具有一些独特优势。

　　其一，它是唯一已知在厌氧条件下利用 ED 途径（2- 酮 -3- 脱氧 -6- 磷酸葡糖酸途径）的乙醇天然生产微生物，糖利用率及产品得率高，同时团队构建的工程菌株可有效利用木糖与葡萄糖；其二，它拥有独特的藿烷膜结构，对醇酸产物及纤维素水解液抑制物耐受性好；其三，它是兼性厌氧菌，耐受酸性 pH（pH3.5）及高温，具有厌氧发酵工艺简单与成本低的优势；其四，它的基因组小（2Mb），只有大肠杆菌的一半，副产物少、产品浓度高、分离纯化成本低；其五，它也是生物安全性（GRAS）菌株，培养过程中未发现噬菌体，污染风险低。

　　▲（来源：受访者提供）

　　但也表示，运动发酵单胞菌作为非模式工业微生物，研究有待进一步完善，同时产业化也有待进一步推广和加强。目前我们实验室将基于这一底盘细胞，打造大宗醇酸非粮厌氧生产平台，虽然目前还没有产业化落地，但正与相关公司合作，尝试纤维素乙醇、丁醇、异丁醇等醇类及乳酸与丁二酸等酸类平台化合物的研发及小试与中试。

　　已建立运动发酵单胞菌合成生物学平台体系

　　自 2007 年，加入美国能源部橡树岭国家实验室后，就走上了运动发酵单胞菌的系统生物学研究之路。2016 年，当时他所在的美国国家可再生能源实验团队首次在该菌中实现了异源 2，3- 丁二醇代谢途径的构建与生产。称，他离开实验室后，前同事继续研究，目前已成功构建 2，3- 丁二醇产量超过 120 g/L 重组菌株，且正在推进产业化。

　　进入湖北大学工作后，更是专注于运动发酵单胞菌的改造，在合成生物学领域专家们的支持与帮助下，在 DBTL （设计 / 构建 / 测试 / 学习）方面全链条布局跟进，从基因组尺度代谢网络模型、生物元件预测鉴定、生物途径适配与时空精准调控、高效基因编辑技术优化、元件与底盘高通量筛选鉴定等方面建立运动发酵单胞菌合成生物学平台体系。

　　今年 3 月，团队通过启动子替换及增加 PHB （聚羟基丁酸酯）合成操纵子拷贝数、优化辅因子供给和引入外源乙醇利用途径等经典的代谢工程手段，实现了 PHB 含量的逐步提升；同时利用团队前期建立的 CRISPR-Cas 基因组编辑手段赋予重组菌株自絮凝特征，无需离心收集菌体，可降低生产成本；随后通过优化发酵碳源和氮源比例，使 PHB 含量提高到 74%，实现了厌氧 PHB 高效生产，为目前异源 PHB 产量最高。该菌株在 30 多次的厌氧连续发酵中乙醇产量大于 9%（v/v），产率稳定在 90% 以上；同时沉降的菌体可用于生物塑料的生产，增加生产效益。

　　该研究首次在运动发酵单胞菌中实现厌氧连续发酵联产生物乙醇和生物可降解塑料 PHB，也为利用运动发酵单胞菌构建以丙酮酸或乙酰辅酶 A 为前体的生物化学品细胞工厂奠定了基础，展现了运动发酵单胞菌作为底盘细胞构建高效细胞工厂，实现生物化学品工业生产的潜力。相关成果以 “” 为题发表于 Green Chemistry。

　　▲图丨代谢工程改造运动发酵单胞菌厌氧发酵联产生物乙醇和生物塑料前体（来源：研究论文）

　　认为，在目前世界各国大力发展生物经济、实现双碳目标的需求以及合成生物学技术手段日渐成熟完善的情况下，是投入更多力量以尽快发挥运动发酵单胞菌的优势，实现大宗醇酸非粮厌氧生产产业化的历史时机。目前他所在的团队专注于以运动发酵单胞菌为非模式微生物底盘细胞，实现工业微生物细胞工厂的理性设计、改造与应用。在这个过程中也开发完善了工业微生物菌株的系统与合成生物学工具平台，未来将进一步利用相关技术体系开发其他有优良特点的非模式菌株，同时整合或发挥多种非模式微生物的独特优势，实现微生物菌株优良特性的模块化设计与改造，构建有自主知识产权的工业菌株体系。

　　采访最后，也与我们分享了他对合成生物制造及其应用的看法，他认为，合成生物制造是基于合成生物学技术的新型生产方式。合成生物制造无论是在利用生物质原料或者直接利用太阳光与二氧化碳作为能源与原料大规模生产淀粉类粮食、油脂、牛奶等乳制品及人造肉等生活必需品，还是生产可再生能源、化学品与聚合材料等产品都将取得颠覆性突破，甚至可用于创造自然界不存在的化学品、生物材料与药物。总之，合成生物制造是生物经济的重点发展方向，将突破传统生物制造的范围，在工业、农业、环境、能源、医药、诊断和治疗等诸多领域发挥重要作用；随着合成生物学与自动化技术的不断成熟与应用，以及云端大数据与人工智能等新技术的融合，未来制约合成生物制造的将是我们的需求和想象力！

　　参考资料：

　　1、http://skl.hubu.edu.cn