天津工业生物所李德茂团队改造威尼斯镰刀菌，降低几丁质含量

在人类社会面临人口增长、资源紧缺和环境压力的背景下，寻找可持续的高质量蛋白质来源显得尤为重要。传统的动物蛋白生产需要大量的土地和水资源，同时伴随高碳排放，这已成为现代农业的巨大挑战。真菌蛋白，作为一种由微生物发酵生产的高效替代蛋白，因其营养丰富、碳足迹低、纤维含量高而备受瞩目。

在真菌蛋白的研究中，威尼斯镰刀菌（Fusarium venenatum）因其发酵生产的菌丝体蛋白营养丰富、安全性良好、能够可持续大规模生产等诸多优势，成为广泛应用于真菌肉类替代品及其他相关产品的模式菌株。然而，在利用天然菌株生产菌丝体蛋白时，存在转化率低、蛋白含量低等问题，这也导致了较高的生产成本。

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所的李德茂团队，基于基因编辑和代谢工程技术，成功降低了菌体中的几丁质含量，大幅提升了碳和蛋白质的转化效率，碳转化率和蛋白质转化率分别提高 29% 和 40%，为提高真菌蛋白质产量奠定了基础。相关研究成果已在 Journal of Agricultural and Food Chemistry 上发表，题为“Enhancing Mycoprotein Yield: Metabolic Modulation of Chitin Synthase in Fusarium venenatum”。这一成果不仅为降低真菌蛋白的生产成本提供了新路径，也为全球粮食安全提供了技术支持。

研究团队前期的研究发现，威尼斯镰刀菌菌丝中高膳食纤维含量是导致大量碳损失的关键因素之一，基于此，降低真菌细胞壁中膳食纤维的含量成为提高菌株转化效率的关键要点。在威尼斯镰刀菌中，几丁质是菌体细胞壁的主要组成成分之一，其高含量虽然有助于细胞壁的结构稳定，但也导致了生产中的碳源浪费。

为了提高蛋白质的转化效率，李德茂研究团队瞄准了几丁质合成过程中的关键酶——几丁质合酶（chitin synthase），并通过 CRISPR/Cas9 基因编辑技术敲除了与几丁质合成直接相关的 FvChs3 基因，并通过实验验证发现，敲除后的菌株（ΔFvChs3）几丁质含量减少了 26%。更重要的是，几丁质减少后，碳源不再大量浪费在细胞壁结构的形成上，而是更多地用于菌体和蛋白质的合成，碳转化率提升了 16%，蛋白质的转化效率提升了 36%。改造后的真菌菌丝体扩展，细胞壁变薄，密度降低，表现出更大的生长适应性，为发酵过程优化和降低生产成本提供了可能性。

接下来，研究团队发现，威尼斯镰刀菌发酵过程中生成的乙醇仍是一个关键的代谢瓶颈，完全抑制 ΔFvChs3 中的乙醇合成可以进一步提高蛋白质转化效率。通过深入分析威尼斯镰刀菌的代谢路径，结合转录组学数据对关键基因进行了筛选。其中丙酮酸脱羧酶（pyruvate decarboxylase, PDC）负责将丙酮酸转化为乙醛，这是乙醇生成的关键步骤。基因 FvPDC6 在编码丙酮酸脱羧酶方面起着核心作用，因此，研究团队通过基因编辑技术敲除该基因后，改造菌株（命名为ΔFvChs3/65）的发酵表现再次迎来显著改进。碳资源利用更加集中，使碳转化率从原先的 16% 进一步增加到 29%，蛋白质转化率提升至 40%，为产业化生产创造了新的可能。此外，与前一阶段改造菌株相比，ΔFvChs3/65 菌株表现出更快的生长速度和更强的环境适应性。例如，其在高盐和渗透压条件下的生长性能优于前一阶段菌株，这使其在工业生产中具备更广泛的适用性。

图 | 通过阻断威尼斯镰刀菌中几丁质合酶的表达来提高真菌蛋白的转化率

李德茂研究团队的这一成果不仅为威尼斯镰刀菌的代谢优化提供了新的方法，也为真菌蛋白产业化生产奠定了坚实基础。通过基因编辑技术降低几丁质含量，抑制乙醇生成，研究团队成功提升了菌体和蛋白质转化率，为降低生产成本和提高产量提供了有效途径。未来，研究团队计划继续优化威尼斯镰刀菌的代谢路径，进一步提高蛋白质产量和生产效率，为全球粮食安全和可持续发展做出更大贡献。

参考链接：

1.Hong R, Tong S, Chai M, Chen W, Liu X, Chen Y, Li D. Enhancing Mycoprotein Yield: Metabolic Modulation of Chitin Synthase in Fusarium venenatum. J Agric Food Chem. 2024 Dec 11;72(49):27274-27283. doi: 10.1021/acs.jafc.4c07105. Epub 2024 Nov 25. PMID: 39586715.

2.https://people.ucas.edu.cn/~0019701

3.https://www.tib.cas.cn/xwzx_104015/kyjz/202412/t20241203_7450463.html

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