华南理工基于盐单胞菌开发合成生物使能技术并实现高值产品合成

盐单胞菌（Halomonas sp.）是一类能够适应高盐高碱环境生长的极端微生物，因此可以在开放、无灭菌的条件下进行发酵生产。过去十余年，清华大学陈国强教授团队以 Halomonas TD01 为底盘，开启了以聚羟基脂肪酸酯（PHAs）为关键产物的合成生物学研究。

近日，华南理工大学生物科学与工程学院叶健文团队继续基于 Halomonas TD01 底盘，开发了以群体感应系统为核心组件的多功能基因表达动态调控工具，协同底物碳代谢改造与合成途径表达调谐，实现了超氧歧化酶（SOD）、氨基酸衍生物（靛蓝和紫色杆菌素）等高值产物的合成调控及产量提升，相关研究成果以“Developing quorum sensing-based collaborative dynamic control system in Halomonas TD01”和“Metabolic engineering of Halomonas for effective production of tryptophan-derived compounds”为题分别发表于《Advanced Science》和《Chemical Engineering Journal》期刊。

首先，研究团队对正交的两套群体感应系统（CinR-CinI 与 LuxR-LuxI）进行拆解和交叉重组（CinR-LuxI 与 LuxR-CinI），分别构建于 A 菌和 B 菌两种重组菌中，并结合盐单胞菌开放发酵的独特优势，开发以 A/B 菌定时混培为诱导条件的基因表达动态调控系统。该系统不仅具有零诱导剂添加、低泄露、输出强度可调等优势，而且还可适用于不同规模的高密度发酵生产过程（Lin et al., Adv. Sci., 2025）。

同时，研究团队基于该系统，通过级联 CRISPR/dCas9、类 T7 RNA 聚合酶等基因表达调控模块，完成了基因表达动态抑制（超 80% 抑制效率）和信号放大（30-40 倍放大）等多功能调控系统的构建及表征测试。

以上调控系统的成功构建，不仅可以实现细胞形态（minCD）、细胞氧摄取能力（vgb）等分时/定量的表达调控，而且还可实现细胞生长与靛蓝、SOD 蛋白等产物合成的有效解耦连，进而提升产量超 100%。在 7L 发酵罐分批补料发酵体系下，SOD 产量达到 4.7 g/L。

与此同时，研究还通过引入 vioABCDE（C. violaceim 来源）基因簇，与 tnaA（E. coli MG1655 来源）、fmo（M. aminisulfidivorans 来源）基因，分别实现以色氨酸为前体分子的高值氨基酸衍生物合成（紫色杆菌素和靛蓝），并围绕基因表达调谐、限速酶挖掘与优化、辅因子平衡、中心碳代谢改造等方法，进一步提高重组盐单胞菌的产物合成能力（Liu et al., Chem. Eng. J., 2025）。

研究发现在盐单胞菌中，使用葡萄糖酸钠作为碳源能够促进 NADPH 合成，强化辅因子供应以满足色氨酸衍生物合成途径中附加的 NADPH 消耗。基于关键合成途径表达优化的条件下，当使用 36 g/L 葡萄糖酸钠作为唯一碳源进行发酵时，紫色杆菌素和靛蓝产量可分别提升至 2.57 g/L 和 290.5 mg/L。最终，改造后的工程盐单胞菌在 7L 发酵罐的分批补料培养过程中，靛蓝和紫色杆菌素的产量分别达到了 1.85 g/L 和 4.79 g/L，产率分别为 51 mg/L/h 和 0.171 g/L/h。

此外，与定时混培动态调控系统不同的是，该研究相继开发了基于群体感应 LuxR-LuxI 的自诱导动态表达调控系统，并在 7L 发酵罐的分批补料发酵中实现紫色杆菌素和靛蓝关键合成途径的自诱导表达调控，产量分别达到 2.64 g/L 和 1.30 g/L。该研究进一步讨论表示，尽管已开发的自诱导表达系统展现出较好的自诱导调控能力，但在发酵放大生产的种子扩培阶段，目的基因仍存在较大的前置泄露表达风险，与前期开发的定时混培调控系统相比，很可能会导致发酵放大的失败。

总体而言，上述研究不仅为盐单胞菌合成生物学的使能技术开发提供了有效且巧妙的工具方法，而且还进一步拓展了盐单胞菌底盘的生物合成能力，阐明了盐单胞菌在重组蛋白、氨基酸衍生物等产物合成的重要潜力，以及更广谱的生物制造产业价值。

1. https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202408083

2. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725034424

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