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微生物细胞工厂是绿色生物制造的核心环节，已被广泛应用于生产多种化学品、食品、药品和能源材料等。领域内常用的底盘细胞包括大肠杆菌、芽孢杆菌、谷棒杆菌以及多种酵母菌等等。

在生产过程中，这些菌株常常面临各种胁迫条件，如极端温度和 pH、渗透压、氧化压力、有机溶剂、高浓度底物、有毒产物等。这些胁迫条件可能会抑制菌株的生长性能和代谢活力，甚至导致菌株失活，严重影响生产效率等。加之，这些菌株也存在易污染、复杂且昂贵的灭菌流程、难以连续发酵、提纯难度大等问题。

与之相比，极端微生物在自然胁迫条件的长期驯化下拥有了一套特殊、高效的胁迫响应机制，其作为底盘菌株有潜力应对上述菌株可能面临的困境，可应用于开放可调控的工业发酵。

近日，清华大学陈国强团队综述了利用极端微生物的生物制造，论文中详细介绍了多种已被广泛应用于生物制造或极具应用潜力的极端微生物，以及极端微生物在基因工程、代谢工程、工业生产等方面取得的进展。最后，研究人员还分析了基于极端微生物的下一代工业生物技术潜在面临的机遇和挑战。

（来源：Synthetic Biology Journal）

本文的通讯作者是清华大学生命科学学院教授兼合成与系统生物学中心主任陈国强，他主要从事微生物聚羟基脂肪酸酯（PHA）的合成、代谢和应用研究，开发的技术已经在数家公司用于大规模生产微生物塑料 PHA。

“与基于大肠杆菌和谷棒杆菌等菌株的传统生物制造方法相比，下一代工业生物技术（NGIB）/下一代生物制造方法以嗜盐菌、嗜热菌和嗜酸碱菌等极端微生物作为底盘细胞，使用廉价底物生产多种高附加值产品，具有开放、无需灭菌、连续发酵等优点。”

极端微生物有潜力成为“下一代”细胞工厂

极端微生物也称为嗜极微生物，通常是指能够良好适应并适于生存在极端环境中的一类特殊微生物群体。它们能够在酷热的火山、严寒的冰川、高渗透压的盐湖以及一些酸碱条件完全失调的环境中存活，甚至可以存活于含有重金属和有毒废物等环境中。

根据生长条件，极端微生物可分为嗜热菌和超嗜热菌、嗜冷菌、嗜酸菌和嗜碱菌、嗜压菌以及嗜盐菌等等。其中，嗜盐菌有潜力成为下一代生物工业技术的主要底盘细胞之一。比如，盐单胞菌可用于开发开放式的无灭菌连续发酵工艺，盐单胞菌H.bluephagenesis TD01 已作为优质的微生物细胞工厂生产多种 PHA 材料，以及赖氨酸和四氢嘧啶等高值化合物。

图 | 基于以盐单胞菌为代表的极端微生物下一代工业生物技术（来源：上述论文）

嗜热菌则可以在高温下保持性质稳定的酶与其他蛋白质，这是人们关注的一大热点。目前，已有研究将嗜热菌应用于工业生产耐热酶以及开发生物燃料等；由于在高温环境中的良好耐受性，嗜热菌也能够成为高温下开放式发酵的优质细胞工厂，节省冷凝成本，其在下一代工业生物技术中具有应用潜力。

而嗜酸菌和嗜碱菌生长环境中极端的 pH 值使得它们具有很强的抗污染能力，这一特征可以被用来开发强大的下一代工业生物技术的微生物细胞工厂。嗜酸菌由于其特殊的耐酸适应机制，也被视为天然的有机酸生产底盘，例如嗜酸菌 Issatchenkia orientalis 被用于生产琥珀酸；嗜碱菌则凭借其耐碱适应机制被应用于生产多种化学品和生物燃料，包括乙酸、乙醇、乳酸、氢气以及甲烷等。

这些耐受极端 pH 的微生物能够通过特殊的机制维持细胞质稳态、避免胞内蛋白质变性，未来对这一机制的进一步研究有利于基于这些极端微生物开发新型酶和化学小分子生产平台。

“整体来看，极端微生物具有在高盐、高温、极度酸碱等极端环境下快速生长的能力，这种特性是大多数其他微生物所不具备的。也因此，它们天然具有抗染菌的能力，从而成为下一代工业生物技术潜在的底盘细胞。”

2 大策略，9 种方法，利用合成生物学改造底盘细胞

近年来，随着合成生物学技术的不断发展，改造和优化极端微生物的分子工具日益完善，这也加速了极端微生物应用于实际工业生产的步伐。在论文中，该团队从基因工程和代谢工程角度优化提高现有的生物制造方法，并指出基于极端微生物的工程化改造与应用有望将未来生物工业推向新的高点。

基因工程技术为极端微生物的表达调控奠定了基础，具体方法包括基因表达元件、基因编辑技术以及基因工程方法。基因元件的挖掘和利用是精细调控极端微生物表达水平的基础和重要手段，比方说通过宿主转化外源基因的不同方案构建组成型启动子库和多种诱导型启动子系统。

图 | 极端微生物的基因工程与代谢工程（来源：上述论文）

基因编辑技术则是合成生物学的一项核心使能技术，其在基因组尺度对生物体进行精确设计和高效改造。其中，CRISPR 基因组编辑技术已在下一代工业技术底盘 Halomonas TD01 和众多极端微生物中得到广泛研究。

此外，高效的 DNA 导入方法可以为极端微生物的大规模改造提供更多可能。以盐单胞菌为例，敲除胞外多糖和 O-抗原合成基因簇可以实现高效电转化，简化质粒导入流程，为构建大规模质粒文库提供可能。通过引入 DNA 甲基化系统可以避免极端微生物内源限制修饰系统的干扰，提高外源质粒的稳定性、提高质粒转化效率。

代谢工程可以为极端微生物的高产改造完善思路，这是实现应用的一个重要环节。领域内正在利用多种策略对细胞代谢途径进行修饰和改造，这些方法包括增加碳源利用途径和底物谱、富集代谢前体、敲除旁路代谢、减少产物代谢损失、引入目标产物外排转运蛋白提高产量等等。

“代谢工程设计、构建、测试、学习的四步循环优化，使得复杂细胞工厂的建立成为可能。”

可生产多种高值化合物

上述技术的发展促进了极端微生物的应用落地，尝试生产产品为极端微生物的应用提供了目标。作为下一代工业微生物生产底盘，极端微生物凭借出色的抗污染发酵能力，已被用于生产多种高附加值产品。

嗜冷微生物及其冷适应蛋白和酶在生物技术方面有许多应用。比方说，对于金属蛋白酶、聚半乳糖醛酸酶、纤维素酶以及木聚糖酶等冷活性酶，低温是其高效生物催化的基本条件；极端嗜热微生物已被应用于生产谷氨酸脱氢酶、纸浆、造纸加工的漆酶、药物合成的硝化酶和转氨酶以及洗涤剂中的脂肪酶，还可用于生产生物燃料。

嗜酸微生物可生产低 pH 条件下仍稳定发挥功能的胞外酶，包括淀粉酶、蛋白酶、连接酶、纤维素酶等。相关菌株 Issatchenkia orientalis 对多种有机酸的耐受能力强，合成琥珀酸的产量可达 11.63 g/L；嗜碱微生物及其胞外酶在工业生产中的产能较高，利用嗜碱 Bacillus sp. 菌株可低成本批量生产 α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精。

多数嗜盐细菌同时具有嗜碱性和嗜盐性，这为防止微生物污染提供了双重屏障。嗜盐菌 Halomonas spp. 已被设计用于生产多种产品，有望发展成为 NGIB 的重要平台。嗜盐盐单胞菌是目前广泛研究的一种极端微生物。通过对其优化改造已成功发酵生产千吨级 PHA，未来通过扩大生产规模可建设万吨级生产线；嗜盐菌也是生产有机酸的有利菌株，目前已成功生产出 3-羟基丙酸、衣康酸和甲羟戊酸，产量分别达到 154 g /L、58.73 g/L 和 121 g/L。

图|利用盐单胞菌生产各类化合物（来源：上述论文）

不过，与传统的模式微生物相比，现阶段领域内对将这些极端微生物改造修饰为工业底盘细胞的研究还不够深入。比方说，大多数极端微生物仍然缺乏相应的基因工程改造手段，质粒转化效率相对较低以及生长周期较长导致发酵时间过长等问题。

“总之，接下来还有很多问题需要解决。未来我们需要从选择合适极端微生物作为底盘细胞、开发相应分子改造工具、选择合适的应用场景等多个角度入手，推进下一代工业生物技术发展，最终实现绿色、环保、 可持续的生物制造。”

参考资料：

1.https://synbioj.cip.com.cn/CN/10.12211/2096-8280.2024-016#

素材来源官方媒体/网络新闻

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