非模式微生物底盤細胞研究新成果

近日，西安交通大學費強教授團隊聯合湖北大學楊世輝教授團隊圍繞非糧基平臺化合物的高效生物制造，以非模式微生物底盤細胞為研究對象，構建了酶約束的高精度全基因組代謝網絡模型，提出了“主流代謝途徑弱化中間底盤”工業菌株改造新策略，并以中間底盤為基礎構建了精細化學品高產穩產菌株，成功突破了非模式底盤細胞合成精細化學品的產量和產率瓶頸。相關研究成果發表在《自然·通訊》上。

研究首先通過優化全基因組代謝網絡模型iZM516，并增加酶約束條件，構建了運動發酵單胞菌高精度酶約束代謝網絡模型eciZM547。該模型成功指導運動發酵單胞菌C2-C5化合物的生產，為代謝途徑的理性設計提供了科學指導。在此基礎上，研究人員開發了一種主流代謝受損的中間底盤（DMCI）策略，通過構建了低毒、輔因子不平衡的2,3-丁二醇途徑（中間底盤ZMB3）來調整代謝流，從而實現了乙醇途徑的完全阻斷。進一步從中間底盤ZMB3出發，構建得到乙醇途徑完全阻斷的D-乳酸生產重組菌株（ZMB6），該菌株可以從葡萄糖和玉米芯殘渣水解液中分別生產超過140 g/L和104 g/L的D-乳酸，轉化率>0.97 g/g，手性純度高達99.9%。此外，本研究利用技術經濟可行性分析（TEA）和全生命周期評價（LCA）證實了以非糧原料生產精細化學品的商業潛力及CO2減排能力，為非糧高效生物制造的產業化落地和助力實現 “碳中和”目標提供了理論和實踐基礎。該研究不僅拓寬了運動發酵單胞菌作為優良生物煉制底盤細胞的生產應用范圍，也為工程化改造嗜甲烷菌等其他非糧生物利用底盤微生物實現工業性能提供了重要參考和全新策略。

模型指導下的運動發酵單胞菌細胞工廠的構建和優化。

主流代謝受損的中間底盤的開發和應用。

非模式底盤細胞工廠生物制造的TEA和LCA。（圖片均由課題組提供）

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54897-5