天津工生所团队构建高产菌丝体蛋白的黑曲霉细胞工厂

黑曲霉（Aspergillus niger）是一种广泛应用于工业发酵的丝状真菌，因其良好的安全性、生长速率和蛋白含量，被认为是潜力可观的微生物蛋白生产菌种。

然而，在液体培养条件下，该菌容易形成紧密的菌丝团，显著阻碍氧气与营养物质传输，进而抑制菌体活性与蛋白积累效率，成为长期以来黑曲霉在蛋白质工业化生产中的关键技术瓶颈。

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所李德茂团队联合天津科技大学才金铃团队，通过菌丝形态代谢工程，将黑曲霉的菌球改造为高度分散的菌丝，成功构建出一株高产菌体蛋白的菌丝体蛋白细胞工厂。研究人员利用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术，结合高效质粒构建系统，协同敲除了多个关键多糖合成基因，成功获得一种在液体环境中呈高度分散生长状态的工程菌株，显著提升了菌体生物量与蛋白产出水平。相关成果以“Engineering dispersed mycelium morphology in Aspergillus niger for enhanced mycoprotein production via CRISPR/Cas9-mediated genome editing”为题在线发表于 Bioresource Technology 期刊。

研究人员发现，黑曲霉中菌丝团的形成与细胞壁和胞外基质中多糖类物质的粘合作用密切相关，其中 α-1,3-葡聚糖和 GAG（半乳糖氨基半乳聚糖）是两类主要的结构成分。研究团队以此为切入点，选择分别编码这两类多糖合成酶的四个基因：agsA、agsB、sph3 和 uge3 作为编辑靶点，构建出四基因缺失的黑曲霉菌株 AnΔABSU。

形态观察显示，该工程菌株在液体培养中不再形成菌丝球，而是呈现出均匀分散的生长状态，极大改善了传质条件。在摇瓶发酵体系中，AnΔABSU 菌株干重生物量由野生型的 7.74 g/L 提高至 13.74 g/L，增长 77.5%；蛋白含量也从 27.49% 提升至 38.48%。

深入的转录组分析揭示了这种增长以及形态变化背后的分子机制。首先，工程菌株在多条代谢通路上出现显著表达上调。比如与营养物质摄取相关的多个转运蛋白基因（包括 ABC 家族、MFS 家族和特定糖转运体）表达增强，有助于底物的快速吸收。其次，氨基酸合成路径中多个关键酶基因如 gdhA、argG、argH 等也明显上调，能为菌株高水平蛋白合成提供氮源前体。同时，MAPK 信号通路的激活表明，工程菌株可能具有更强的代谢适应性与胞内稳态调控能力。

值得关注的是，虽然细胞壁中几丁质含量减少了 12.96%，但 β-葡聚糖含量补偿性增加 21.05%，这种成分调整既能打破了菌丝聚集的物质基础，又可以维持细胞正常生长。

此外，在获得性能优异的分散型菌株基础上，研究团队还进一步通过响应面法对碳氮源配比进行了系统优化，最终确定最佳培养条件：葡萄糖 50.81g/L、硫酸铵 9.58g/L、玉米浆干粉 1.55g/L。在此条件下，黑曲霉 AnΔABSU 的生物量达到 16.67g/L，蛋白含量高达 45.91%，较未优化的野生型分别提升 115.37% 和 67.01%，展现出惊人的生产效率！且氨基酸组成分析显示该菌株合成的蛋白中富含赖氨酸、谷氨酸和精氨酸等营养氨基酸，具备良好饲用和食用潜力。

总而言之，本研究利用从细胞壁结构重塑入手，系统调控菌丝形态的形态工程策略，不仅突破了传统丝状真菌发酵中长期存在的团聚难题，也为工业蛋白高效制造开辟了新路径，有望进一步推动微生物蛋白逐渐走入食品、饲料、材料等领域，为解决全球蛋白质短缺问题提供新方案。

参考文献：

1. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2025.132652

免责声明：本文旨在传递合成生物学最新讯息，不代表平台立场，不构成任何投资意见和建议，以官方/公司公告为准。本文也不是治疗方案推荐，如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。