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南京工大姜岷、信丰学团队:突破2-苯乙醇生物合成行业纪录

2026-04-16 02:52:19

🔍SynBio团队|南京工业大学

2 - 苯乙醇（2-PE）是一种高附加值玫瑰香型芳香化合物，在食品、化妆品、制药等领域应用广泛，但其对微生物的强细胞毒性严重制约了生物合成效率。

【SynBioCon】获悉，近日，南京工业大学合成生物工程团队，姜岷、章文明，信丰学教授团队挖掘了全新的内源性耐受元件，阐明了其抗逆机制，并在无原位产物分离（ISPR）辅助的情况下实现了7.09 g/L的创纪录2-PE产量，进一步结合ISPR在生物反应器中更是达到了13.43 g/L，为高效合成易产生抑制作用的化学品提供了强大的底层微生物平台设计框架。

1. 研究背景与核心科学问题

产业需求：2 - 苯乙醇传统植物提取法成本高、产量低，化学合成法存在环境友好性差、产品安全性受限等问题，微生物合成法是绿色可持续的替代方案。

核心瓶颈：2-PE 对微生物具有强毒性，浓度超 2~3 g/L 即可抑制绝大多数菌株生长，破坏细胞膜结构、干扰能量代谢、诱导活性氧（ROS）积累，是限制合成效率的核心因素。

底盘局限：原位产物回收（ISPR）虽能缓解产物抑制，但增加了工艺复杂度与生产成本，且掩盖了底盘菌株内在耐受性不足的问题；季也蒙迈耶氏酵母天然耐受 4 g/L 2-PE，且具备高效的 Ehrlich 代谢途径，是芳香族化合物合成的理想底盘，但其天然耐受性仍无法满足工业化高产需求。

科学问题：如何系统解析季也蒙迈耶氏酵母的 2-PE 耐受机制，通过多维度工程改造全面提升菌株对高毒性 2-PE 的内在耐受性，最终实现其高效、低成本生物合成。

2. 核心技术路线

本研究采用 “非理性诱变 - 适应性进化 - 基因组解析 - 理性代谢工程” 的整合策略，分阶段实现菌株性能提升：

第一阶段：通过 EMS 与 ARTP 组合诱变，初步筛选高耐受突变株；
第二阶段：通过 180 天长期适应性进化，获得遗传稳定的高耐受菌株 EA20；
第三阶段：全基因组测序结合等位基因替换，鉴定并验证关键耐受突变基因与作用机制；
第四阶段：通过内源耐受元件组合、异源功能基因表达、合成途径强化的递进式代谢工程改造，逐步提升菌株耐受性与合成能力；
第五阶段：5 L 生物反应器发酵工艺优化，结合 ISPR 系统实现 2-PE 规模化高产。

3. 关键实验结果

高耐受进化菌株构建：经组合诱变与 180 天适应性进化，获得菌株 EA20，可在 5.25 g/L 2-PE 条件下稳定生长；3、4、5 g/L 2-PE 胁迫下，比生长速率较野生型分别提升 1.53、2.81、4.26 倍，同时具备高温、低 pH、高渗透压的交叉耐受性，摇瓶发酵 2-PE 产量达 3.15 g/L，较野生型提升 40%。

耐受机制解析：全基因组测序发现 EA20 存在 12 个编码区突变，经等位基因替换验证，确认 Lys2、Atr、Gat、Scy 为四个关键耐受突变基因；其中 Lys2 突变使 NADPH 依赖的酶活性下降 35.21%，可减少胞内 ATP 与 NADPH 的非必需消耗，重新分配资源用于 ROS 清除与抗逆过程。

内源元件组合优化：在 EA20 中共同表达四个关键突变基因，构建菌株 E-EA20，其在 3 g/L 2-PE 下 OD600 达 8.52，2-PE 产量达 3.56 g/L，较 EA20 提升 13%，展现出更长的生长稳定期与更强的产物合成能力。

抗氧化与膜稳定性强化：异源表达解脂耶氏酵母谷氨酰胺合成酶（YlGs）与马克斯克鲁维酵母谷氨酸 - 丙酮酸转氨酶（KmAgpat），构建菌株 E-EA20-GA；其在 5 g/L 2-PE 下比生长速率达 0.031 h⁻¹，胞内谷胱甘肽水平提升 2.4 倍，2-PE 摇瓶产量达 4.92 g/L。

合成途径通量优化：过表达内源 ARO10、GAP、ARO80 基因强化 Ehrlich 途径，构建最终工程菌株 E-EA20-GA-ME，摇瓶发酵无 ISPR 条件下 2-PE 产量达 7.09 g/L，刷新该条件下的行业最高记录。

规模化发酵验证：5 L 生物反应器中，结合脂肪酸甲酯 ISPR 系统，优化有机相 - 水相比（1:2）与添加时间（36 h）后，2-PE 最终产量达 13.43 g/L，生产率达 0.085 g/L/h，较出发菌株提升 30.98%。

4. 核心创新点

策略创新：首次将组合诱变、适应性进化与系统代谢工程深度整合，应用于季也蒙迈耶氏酵母的 2-PE 耐受改造，实现了 “耐受机制解析 - 元件挖掘 - 菌株工程化” 的全链条闭环。

理论创新：系统解析了季也蒙迈耶氏酵母的 2-PE 耐受分子机制，鉴定出 4 个全新的内源耐受元件，揭示了 “能量 / 还原力重分配 - 氧化还原稳态强化 - 膜 / 线粒体稳定性提升” 的协同抗逆调控规律。

性能突破：构建的工程菌株实现了无 ISPR 条件下 2-PE 的最高产量报道，大幅降低了对复杂分离工艺的依赖，为 2-PE 的工业化低成本生产奠定了基础。

通用性价值：挖掘的耐受元件与抗逆工程策略，不仅适用于 2-PE 合成，还可拓展至其他高毒性芳香化合物、萜类化合物的微生物生物合成。

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