反式烏頭酸是（trans-aconitic acid）具有三個羧基和一個不飽和雙鍵的C6小分子有機酸，在農業線蟲病害防治方面具有較好的效果，頗具應用前景。反式烏頭酸傳統上主要是通過從甘蔗制糖過程中少量提取獲得，而開發的化學合成方法過程復雜、副產物多、得率低，均無法實現大規模低成本生產，使得反式烏頭酸未能形成大規模商業供應。原料可及性問題成為阻礙反式烏頭酸下游應用開發的關鍵限制性因素。
中國科學院青島生物能源與過程研究所微生物制造工程中心設計構建了高效合成反式烏頭酸的微生物細胞工廠，聯合相關單位開發了發酵工藝并完成工程放大驗證，實現了反式烏頭酸的高效綠色生物制造，解決了關鍵的原料可及性困境，同時通過田間實驗證明反式烏頭酸可有效降低農業根結線蟲的危害。近日，相關研究成果發表在《代謝工程》（Metabolic Engineering）（圖1）上。
該工作選擇具有低pH耐受能力的產衣康酸土曲霉工業菌株作為底盤細胞，通過敲除順烏頭酸脫羧酶編碼基因阻斷衣康酸的生物合成，構建同時大量積累順烏頭酸和反式烏頭酸的第一代土曲霉工程菌株，總產量約10 g/L。該工作為了將順烏頭酸快速轉化為反式烏頭酸以避免進入TCA循環被消耗，篩選評估不同時間響應的強啟動子、不同定向整合位點、不同底盤細胞和不同烏頭酸異構酶元件，設計了異源重構烏頭酸異構化模塊的系列土曲霉菌株，獲得了更高效的第二代產反式烏頭酸細胞工廠，搖瓶發酵產量約20 g/L，反式烏頭酸比例從57%提高到90%（圖2）。
進一步，科研人員在培養基優化過程中通過多組分篩選發現反式烏頭酸發酵生產過程中的關鍵營養限制因子，并通過溶氧控制等條件優化開發了百升罐的發酵工藝，依托相關單位的產業化中試平臺將工藝逐步放大優化到5噸罐，并完成20噸發酵規模的生產示范，發酵98小時反式烏頭酸產量達到60 g/L（圖3）。
植物寄生線蟲是造成農業經濟損失的農業病蟲害，且防治手段有限。有關單位基于發酵生產的反式烏頭酸開展了黃瓜線蟲防治田間試驗。結果顯示使用反式烏頭酸后根結線蟲病造成的危害得到有效改善。反式烏頭酸560g畝用量與當下主流化學殺線劑噻唑膦180g畝用量的防治效果相當，但使用成本顯著低于噻唑膦（圖4）。該工作為植物寄生線蟲防控這一難題提供了新的解決方案。
該工作利用合成生物學策略開發了可實現反式烏頭酸大規模低成本生產的綠色生物制造技術，為反式烏頭酸殺線劑的開發奠定了基礎。更重要的是，反式烏頭酸原料可及性困境的突破，將推動反式烏頭酸作為重要生物基化學品的下游應用技術開發、為生物基材料開發提供了新選項。
研究工作得到國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項（A類）、國家自然科學基金和山東省人才計劃的支持。