必读！合成生物制造的核心，六大底盘细胞构建未来工厂！

生物造万物，正在逐渐变成现实。

随着合成生物学的快速发展，人类已经能够利用生命体制造食品、药品、化妆品、燃料等诸多产品。

其中，底盘细胞扮演着重要的角色，它们是代谢反应发生的宿主细胞，是产物合成的载体。

在生物制造的过程中，底盘细胞就相当于一个个“车间”，具体的“生产活动”均在这里进行。

而如何选择底盘细胞，则需综合考量多个因素，一般而言，其应具备高生物合成能力、良好的可控性、高耐受性和稳定性。

经过长期的不懈探索与深入研究，科学家们已经成功筛选并培育出了一批性能卓越、应用广泛的主要底盘细胞。

进一步地，研究人员通过精准地调控底盘细胞内的基因表达和代谢通路，有望高效、稳定地生产出特定的目标产物，为生物医药、能源化工、食品、农业等多个领域带来了新的机遇。

大肠杆菌因研究历史悠久、遗传背景清晰、厌氧生长速度快、培养成本低廉等特点，是目前使用最广泛的底盘细胞之一。

经代谢工程改造后，大肠杆菌可用于生产有机醇、氨基酸、有机酸、有机胺、维生素、天然产物等多种产品。

北京理工大学霍毅欣教授团队通过在大肠杆菌中建立响应胞内关键代谢物浓度的动态调控系统，最终在3-L发酵罐中补料发酵，获得了40.4g/L异丁醇。

华东理工大学吴辉教授研究团队将双功能氧化还原酶突变体AdhE A267T/E568K引入大肠杆菌，使其能以乙醇为唯一碳源快速生长，并在此基础上引入异丙醇合成途径，使产量得到显著提升，初步达到2.01g/L ，最终效价提高到了4.41g/L。

江南大学陈坚院士团队周景文教授课题组采用代谢工程和酶工程结合的策略，将4种异源的四氢嘧啶合成途径引入大肠杆菌中，最终在5L发酵罐中使四氢嘧啶产量达到67.1g/L 。

天津科技大学工业发酵微生物教育部重点实验室张成林教授团队成功在大肠杆菌中实现了与生长耦合的L-异亮氨酸生产，在48小时的补料发酵后，得到的ISO-12菌株达到了51.5克/升的L-异亮氨酸产量和0.29克/克葡萄糖的产率，这一产量和产率均高于以往报道的任何菌株。

枯草芽孢杆菌是革兰氏阳性细菌的模式菌株之一，拥有生理生化特征清晰，遗传操作较为简单，分泌及表达能力强，培养发酵较为方便、公认安全等优点。

以枯草芽孢杆菌为底盘细胞进行合成的小分子化合物或酶制剂主要以核黄素、表面活性素、乙偶姻、植酸酶、木聚糖酶、L-天冬酰胺酶、软骨素、N-乙酰葡萄糖胺等为代表。

江南大学生物工程学院饶志明教授团队通过比较转录组分析不同溶氧条件下枯草芽孢杆菌全基因组范围内基因表达变化，采取组合策略，使核黄素产量在摇瓶发酵水平提高50.78%，达到2.5g/L，在5L发酵罐水平提高45.51%，滴度达到10.71g/L。

清华大学化工系于慧敏教授团队从南海底泥等特殊环境中筛选获得产表面活性素野生枯草芽孢杆菌，进一步采用代谢调控综合策略，成功构建高产表面活性素的无休眠枯草芽孢杆菌超级细胞工厂，并打通了高产表面活性素新工艺。

齐鲁工业大学生物基材料与绿色造纸国家重点实验室石林团队以枯草芽孢杆菌利用混合玉米秸秆水解液和LB培养基在5L自动发酵罐发酵至第5天，乙偶姻产量达到最大值10.4g/L。

谷氨酸棒杆菌是一株来源于土壤的革兰氏阳性细菌，凭借着生长速度快、底物谱广、工业环境适应能力强以及生产强度高等优势，已经发展成为一种重要的工业底盘菌。

谷氨酸棒杆菌目前已是全球氨基酸发酵行业的主要生产者，此外还被用于有机酸、醇类、植物天然产物等70 余种产品的生物制造，产值超过千亿元。

江南大学工业生物技术教育部重点实验室贾全栋团队考察了谷氨酸棒杆菌厌氧产丁二酸的发酵条件，发现乳酸脱氢酶基因敲除导致磷酸烯醇式丙酮酸生成丁二酸的流量提高了214.3％，分批厌氧转化36h生成丁二酸41.2g/L，产率达45％。

清华大学化学工程系工业生物催化教育部重点实验室陈振团队通过代谢工程手段改造谷氨酸棒状杆菌，实现了从葡萄糖到γ-羟基丁酸酯的生物合成，在批式发酵中产量达到38.3 g/L，产率0.615 mol/mol葡萄糖。

天津科技大学生物工程学院李燕军团队通过代谢工程对谷氨酸棒杆菌进行了改造，实现了在好氧条件下L-缬氨酸的高效生产。工程菌株Val19在发酵过程中产生了103 g/L的L-缬氨酸，产率达到了0.35克/克葡萄糖，生产率为2.67 g/L/h，展现出工业化生产的潜力。

非模式细菌由于早期遗传工具的匮乏而研究较少，生物技术的发展推动了相关研究进展，部分非模式细菌在短时间内发展成为重要的底盘细胞。

这类非模式细菌包括需钠弧菌、拜氏不动杆菌、运动发酵单胞菌、扬氏梭菌等，特点是可高效利用多种底物、生长周期短、目标产物产量高、副产物少、性能稳定、耐受极端环境条件等。

需钠弧菌已被用于丙氨酸、聚羟基烷酸酯（PHA）、吲哚-3-乙酸和纳米硒等天然产品的生产，而经过代谢工程改造后也可用于生产重组蛋白、黑色素、β-胡萝卜素和紫罗兰等产品。

拜氏不动杆菌具备天然生产三酰甘油的能力，经改造后还可生产蜡酯、蓝藻素等产物。

运动发酵单胞菌除了天然产乙醇外，还被改造用于PHB、D-乳酸、2,3-丁二醇、山梨醇、乙醛、异丁醇和乳糖酸等的生物合成。

扬氏梭菌能够将CO2和CO等工业废气转化为乙酸、乙醇、丁醇、丙酮、异丙醇、甲羟戊酸和丁酸等产品。

酵母可分为传统酵母和非传统酵母，前者以酿酒酵母最为人熟知，后者则包括解脂耶氏酵母、克鲁维酵母、毕赤酵母、拜氏接合酵母等。

酿酒酵母是第一个全基因组测序的模式真核生物，一直以来都是首选的代谢工程底盘细胞之一，其可用于生产有机酸、氨基酸、核苷酸、药用蛋白、工业酶制剂、大麻素、灯盏乙素、阿片类药物，以及多种萜烯类、黄酮类、生物碱类、芳香氨基酸等多种植物次生代谢产物。

马克斯克鲁维酵母具有很好的高温耐性，用于乙醇发酵或生产酶和风味物质，也可以作为宿主用于生产异源蛋白。

解脂耶氏酵母是良好的油脂生产酵母，同时也可以生产多种化学品，包括聚酮化合物、萜类化合物和类胡萝卜素等。

德巴利酵母具有较好的高渗透压耐受性，可在高达4 mol/L的氯化钠中生长。除了在食品工业中的用途，该酵母也可用于生产油脂，并可生产水解酶和糖醇等精细化学品。

丝状真菌为多细胞真菌，基本上由菌丝和孢子两大基本结构组成，包括曲霉菌、毛霉菌、镰刀菌等。

因其具有能够利用廉价原料发酵、蛋白质分泌能力强等优势，故而作为重要的工业发酵微生物。

目前，丝状真菌已经被用于生产多种大宗发酵产品，如工业蛋白质 (纤维素酶、糖化酶等)，大宗有机酸 (柠檬酸、苹果酸、衣康酸等) 以及抗生素等次级代谢产物。

经过多年来持续的菌株改造及发酵条件优化，在工业发酵中黑曲霉柠檬酸转化率已经接近理论水平，产量可以达到 170 g/L，工业生产发酵周期缩短为 72 h，甚至更短。

如粗糙脉孢菌、黑曲霉、嗜热毁丝霉和里氏木霉等丝状真菌也已开展了纤维素酶、糖化酶、抗体等蛋白质产品合成研究，蛋白分泌量已超过100g/L。

此外，丝状真菌还可生产多款重要药物分子，如青霉素和头孢菌素（抗生素）、洛伐他汀和辛伐他汀（治疗心血管疾病、降低胆固醇）等。

—The End—