中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 生物制造以工業(yè)生物技術(shù)為核心，融合了合成生物技術(shù)、過程工程技術(shù)，致力于目標(biāo)產(chǎn)品的生物加工過程。近年來，隨著合成生物底層技術(shù)、關(guān)鍵核心技術(shù)的不斷突破，生物制造在工業(yè)制造領(lǐng)域的重要性日益凸顯，成為推動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型升級的重要力量。全球主要經(jīng)濟(jì)體如美國、歐盟、英國、日本和加拿大等都積極制定了新的生物制造發(fā)展路線圖和行動計(jì)劃。我國也在2023年中央經(jīng)濟(jì)工作會議及2024年《政府工作報(bào)告》中將生物制造定位為生物經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，重點(diǎn)推動其在生物制藥、生物材料和生物能源等重點(diǎn)領(lǐng)域的發(fā)展，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的綠色升級和經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展。

絲狀真菌（filamentous fungi）在生物制造領(lǐng)域扮演著舉足輕重的角色，合成了眾多與人類生活密切相關(guān)的重要產(chǎn)物（表1）。長期的工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)踐，展示了工業(yè)絲狀真菌具有強(qiáng)大的天然產(chǎn)物和酶蛋白合成能力，以及高產(chǎn)量、高轉(zhuǎn)化率和高生產(chǎn)強(qiáng)度的工業(yè)發(fā)酵優(yōu)勢。在Web of Science數(shù)據(jù)庫中檢索發(fā)現(xiàn)（圖1），2000—2023年涉及絲狀真菌生物合成、代謝工程改造及發(fā)酵工藝優(yōu)化等方向的研究論文數(shù)量呈現(xiàn)逐年遞增趨勢。這一趨勢不僅揭示了絲狀真菌在生物制造領(lǐng)域的研究熱度不斷上升，也展現(xiàn)了其在生物制造應(yīng)用的潛力和重要性。

測序技術(shù)的發(fā)展極大推動了大量不同種屬的真菌基因組測序，截至2024年11月，NCBI、JGI和FungiDB等數(shù)據(jù)庫中已收錄超過6 000種真菌基因組序列，超過2 000個(gè)基因組有相關(guān)注釋信息。多組學(xué)技術(shù)、基因重組及CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)的發(fā)展，為真菌生理生化、合成機(jī)制解析，以及細(xì)胞工廠的理性改造等方面提供了重要的技術(shù)手段。通過不斷優(yōu)化、引進(jìn)和開發(fā)高效使能技術(shù)，提升了絲狀真菌的遺傳改造能力，從而在工業(yè)菌株理性改造和新型細(xì)胞工廠構(gòu)建方面取得重要進(jìn)展。本文對典型工業(yè)絲狀真菌在重要化學(xué)品的合成及細(xì)胞工廠構(gòu)建的最新進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對絲狀真菌在生物制造領(lǐng)域應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

絲狀真菌工業(yè)菌株的理性設(shè)計(jì)改造

企業(yè)通過長期的誘變選育，獲得了一系列高產(chǎn)的絲狀真菌工業(yè)菌株，應(yīng)用于醫(yī)藥化學(xué)品、大宗化學(xué)品、工業(yè)酶制劑和食品色素等不同類型產(chǎn)品的商業(yè)化生產(chǎn)。盡管如此，傳統(tǒng)的誘變選育方法存在工作量大、缺乏針對性、提升空間有限等制約因素，難以實(shí)現(xiàn)大的突破。相比之下，基于合成機(jī)制與系統(tǒng)生物學(xué)指導(dǎo)的代謝工程改造策略具有很好的靶向性和高效性，在合成途徑設(shè)計(jì)、目標(biāo)產(chǎn)物合成及副產(chǎn)物消除等方面更具優(yōu)勢。近年來，我國工業(yè)絲狀真菌理性改造研究取得了關(guān)鍵技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，有效推動了現(xiàn)有產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)的提質(zhì)增效（圖2）。

醫(yī)藥化學(xué)品生產(chǎn)菌株的理性改造

絲狀真菌卓越的次級代謝產(chǎn)物合成能力推動了多個(gè)重要醫(yī)藥、農(nóng)藥產(chǎn)品的創(chuàng)制，如青霉素/頭孢類抗生素、他汀類降血脂藥物、棘白菌素類抗真菌藥物、免疫抑制劑霉酚酸、麥角生物堿類等重要藥物，以及植物生長刺激素赤霉素等。近年來，這些重要醫(yī)藥化學(xué)品生物合成途徑及深層調(diào)控機(jī)制受到了科研人員的廣泛關(guān)注，為工業(yè)菌株改造策略開發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新提供了重要依據(jù)。這些技術(shù)進(jìn)步將有助于提高我國相關(guān)企業(yè)的國際競爭力，減輕患者的用藥負(fù)擔(dān)。

辛伐他汀是最重要的降血脂藥物之一，2023年辛伐他汀全球銷售額達(dá)55億美元。目前，工業(yè)上主要采用生物-化工兩階段生產(chǎn)，首先是土曲霉發(fā)酵生產(chǎn)洛伐他汀，然后堿水解處理生成莫納可林J，進(jìn)一步通過催化合成辛伐他汀。然而，莫納可林J制備的堿水解工藝生產(chǎn)效率較低、環(huán)境污染嚴(yán)重，增加了企業(yè)的環(huán)保壓力和生產(chǎn)成本。本文作者研究團(tuán)隊(duì)通過內(nèi)源合成途徑理性優(yōu)化、異源元件高效重構(gòu)及特異性調(diào)控改造策略，將洛伐他汀工業(yè)生產(chǎn)土曲霉菌株改造成了高效的莫納可林J生產(chǎn)菌株，構(gòu)建了土曲霉一步發(fā)酵生產(chǎn)莫納可林J的新工藝。該工作簡化了辛伐他汀生產(chǎn)工藝，并打通了全生物合成技術(shù)路線，已經(jīng)與浙江海正藥業(yè)達(dá)成技術(shù)轉(zhuǎn)讓。

棘白菌素類抗真菌藥物是治療深部真菌感染的一線臨床用藥，包括卡泊芬凈、米卡芬凈、阿尼芬凈和雷扎芬凈，生產(chǎn)過程面臨產(chǎn)量低、副產(chǎn)物多、分離純化困難等難題。針對企業(yè)提出的技術(shù)需求，本文作者研究團(tuán)隊(duì)將藥物合成機(jī)制從合成途徑層面延伸至深層次的調(diào)控機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了米卡芬凈前體FR901379生物合成的跨基因簇協(xié)同調(diào)控機(jī)制，并提出特異性調(diào)控改造策略。結(jié)合傳統(tǒng)的合成途徑改造和發(fā)酵工藝優(yōu)化使產(chǎn)量從0.3 g/L提高至4.0 g/L，顯著高于現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)水平。該技術(shù)已經(jīng)與企業(yè)達(dá)成合作并完成了2 t罐放大驗(yàn)證，相似的策略同樣成功應(yīng)用于卡泊芬凈和阿尼芬凈前體的工業(yè)菌株理性改造。

赤霉素是重要的植物生長調(diào)節(jié)劑，能有效促進(jìn)植物種子萌發(fā)、下胚軸伸長、開花時(shí)間和果實(shí)發(fā)育等多個(gè)過程，對于農(nóng)業(yè)增產(chǎn)豐收至關(guān)重要。赤霉素工業(yè)菌株藤倉赤霉菌存在發(fā)酵產(chǎn)量低、穩(wěn)定性差、發(fā)酵組分復(fù)雜等問題，導(dǎo)致生產(chǎn)成本過高、品控難度較大。通過對菌株代謝網(wǎng)絡(luò)的深度理解有助于進(jìn)一步開發(fā)菌株生產(chǎn)潛力，南京師范大學(xué)黃和團(tuán)隊(duì)基于全基因組代謝模型，預(yù)測并開發(fā)多種代謝工程策略強(qiáng)化轉(zhuǎn)錄因子、前體供應(yīng)、電子傳遞鏈，并提高限速酶催化活力，消除多種副產(chǎn)物，極大提高了赤霉素的生產(chǎn)水平。該技術(shù)已應(yīng)用于江西新瑞豐生化股份有限公司赤霉素的工業(yè)化生產(chǎn)，顯著提升了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和市場競爭力。

有機(jī)酸生產(chǎn)菌株的理性改造

除了合成次級代謝產(chǎn)物之外，工業(yè)絲狀真菌也展現(xiàn)出強(qiáng)大的初級代謝能力，被應(yīng)用于有機(jī)酸的生產(chǎn)，如檸檬酸、衣康酸等。目前工業(yè)生產(chǎn)中，檸檬酸、衣康酸的糖酸轉(zhuǎn)化率已接近理論轉(zhuǎn)化率，傳統(tǒng)代謝工程改造難以進(jìn)一步提高其產(chǎn)量和糖酸轉(zhuǎn)化率，系統(tǒng)性分析宏觀發(fā)酵過程，結(jié)合分子、多組學(xué)等微觀層面信息，增強(qiáng)工業(yè)菌株的抗逆性、魯棒性，可以提升生產(chǎn)強(qiáng)度及時(shí)空產(chǎn)率；同時(shí)，進(jìn)一步拓展底物譜，構(gòu)建非糧生物質(zhì)的利用途徑，有望降低有機(jī)酸發(fā)酵成本。

檸檬酸是目前全球需求量最大的發(fā)酵單品，廣泛應(yīng)用于食品醫(yī)藥和輕工等行業(yè)，預(yù)計(jì)2030年全球產(chǎn)值有望達(dá)到1 600億元。中國是世界上最大的檸檬酸生產(chǎn)國，年產(chǎn)量高達(dá)約150萬—200萬 t，主要生產(chǎn)企業(yè)包括濰坊英軒、山東檸檬生化、日照金禾集團(tuán)、國信協(xié)聯(lián)、萊蕪泰禾生化、中糧生物科技等。在實(shí)際生產(chǎn)中，長期誘變篩選和發(fā)酵工藝優(yōu)化，獲得了高產(chǎn)量及產(chǎn)率的工業(yè)菌株。然而，目前發(fā)酵糖酸轉(zhuǎn)化率已接近閾值，傳統(tǒng)的策略難以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的提升。通過擾動菌株初級代謝通路，促使代謝流進(jìn)入三羧酸循環(huán)，為檸檬酸產(chǎn)量提高提供了新思路。天津科技大學(xué)王德培團(tuán)隊(duì)通過抑制尿苷/嘧啶的合成擾動細(xì)胞生長，增強(qiáng)糖酵解的通量從而提高了黑曲霉中檸檬酸的生產(chǎn)水平。此外，天津科技大學(xué)劉浩團(tuán)隊(duì)通過強(qiáng)化胞質(zhì)磷酸轉(zhuǎn)酮酶-磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶途徑，增強(qiáng)乙酰輔酶A供應(yīng)，提高了檸檬酸的發(fā)酵水平。未來，進(jìn)一步結(jié)合多組學(xué)信息、全基因組代謝模型及發(fā)酵過程多尺度優(yōu)化，系統(tǒng)地理解檸檬酸發(fā)酵過程，并開發(fā)利用廉價(jià)底物的代謝途徑，有望進(jìn)一步降低檸檬酸的工業(yè)發(fā)酵成本。

衣康酸是一種C5不飽和二元有機(jī)酸，廣泛應(yīng)用于化工、材料及醫(yī)藥等領(lǐng)域，被美國能源部列為最具應(yīng)用前景的生物基平臺化合物之一。目前，衣康酸全球年產(chǎn)量約8萬—10萬 t，我國是最大生產(chǎn)國和出口國。然而，衣康酸合成及誘導(dǎo)機(jī)制尚未明確，導(dǎo)致菌株的代謝工程改造缺乏系統(tǒng)性的指導(dǎo)，從基因和酶學(xué)層面深入解析衣康酸的高產(chǎn)機(jī)制，將成為工業(yè)菌株理性改造突破的關(guān)鍵。本文作者研究團(tuán)隊(duì)從衣康酸工業(yè)生產(chǎn)菌株出發(fā)，基于多組學(xué)信息反饋，系統(tǒng)優(yōu)化了糖酵解、三羧酸循環(huán)、衣康酸的合成與分泌等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，成功將衣康酸產(chǎn)量從80.5 g/L提高到88.1 g/L，并且縮短了發(fā)酵周期，提高其生產(chǎn)的時(shí)空產(chǎn)率。為了擴(kuò)大底物利用范圍，本文作者研究團(tuán)隊(duì)在土曲霉中表達(dá)了黑曲霉的糖化酶，使得土曲霉能夠直接利用淀粉液化液為碳源，衣康酸產(chǎn)量與以葡萄糖為底物的發(fā)酵水平接近，為降低衣康酸發(fā)酵生產(chǎn)成本提供了可能性。

多不飽和脂肪酸生產(chǎn)菌株的理性改造

多不飽和脂肪酸（PUFA），如花生四烯酸（ARA）、二十二碳六烯酸（DHA）等，因其營養(yǎng)價(jià)值和獨(dú)特的生理功能受到廣泛關(guān)注。隨著合成生物技術(shù)的發(fā)展，以高山被孢霉和裂殖壺菌為代表的產(chǎn)油真菌成為膳食多不飽和脂肪酸的重要來源。葉超等基于構(gòu)建的基因組規(guī)模代謝模型，證實(shí)了蘋果酸酶是還原型輔酶Ⅱ（NADPH）的重要來源，結(jié)合多組學(xué)分析篩選到了脂質(zhì)合成過程中關(guān)鍵酶—脂肪酸合酶和甘油二酯?；D(zhuǎn)移酶，開發(fā)“推拉模塊策略”調(diào)控前體供應(yīng)，使得高山被孢霉ARA產(chǎn)量較出發(fā)菌株提高了5倍，達(dá)到4.4 g/L。

DHA工業(yè)生產(chǎn)菌株裂殖壺菌在發(fā)酵過程中存在生長不穩(wěn)定、細(xì)胞活力不高、油脂含量及質(zhì)量不高、代謝難以調(diào)控等難題，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所崔球團(tuán)隊(duì)通過弱化競爭途徑、增加脂肪酸合成的前體、強(qiáng)化脂肪酸的貯存途徑等策略，獲得了合成高純度DHA的裂殖壺菌細(xì)胞工廠，DHA含量達(dá)到331 mg/g，占總油脂的61%。南京師范大學(xué)黃和團(tuán)隊(duì)替換了負(fù)責(zé)合成DHA的聚酮合酶（PKS）中的酰基轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)域，實(shí)現(xiàn)了DHA和二十碳五烯酸（EPA）共生產(chǎn)，進(jìn)一步激活不依賴鈷胺素的甲硫氨酸合酶，同時(shí)提高了EPA和DHA合成，產(chǎn)量分別為2.25 g/L和9.59 g/L。深入了解PUFA生物合成途徑及關(guān)鍵調(diào)控方式，探究工業(yè)菌株中多不飽和脂肪酸的碳流變化，能夠?yàn)橄乱徊酱x工程改造提供靶點(diǎn)。

工業(yè)絲狀真菌底盤菌株的開發(fā)及應(yīng)用

工業(yè)絲狀真菌，如黑曲霉、土曲霉、青霉菌、嗜熱毀絲菌、里氏木霉等，憑借其在長期工業(yè)化生產(chǎn)中的卓越表現(xiàn)，展現(xiàn)了強(qiáng)大的初級代謝和次級代謝產(chǎn)物的合成能力，同時(shí)還具備了成熟的工業(yè)發(fā)酵體系。因此，以絲狀真菌作為底盤構(gòu)建的細(xì)胞工廠，不僅展現(xiàn)出高效合成潛力，而且在工程放大方面技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)相對較低，更具備良好的規(guī)模化生產(chǎn)前景。近年來，非模式絲狀真菌底盤細(xì)胞也開始受到關(guān)注，并成功應(yīng)用于植物源天然產(chǎn)物、生物基化學(xué)品和功能性蛋白等產(chǎn)品的微生物制造（圖3）。

絲狀真菌細(xì)胞工廠合成植物活性聚酮化合物

植物天然產(chǎn)物及其衍生物是藥物的重要來源，包括熟知的黃酮、蒽醌等活性化合物。然而，植物生長周期長、提取過程煩瑣，因此微生物合成技術(shù)的開發(fā)受到廣泛關(guān)注。相較于大腸桿菌和酵母等模式底盤細(xì)胞，他汀工業(yè)生產(chǎn)菌株具有強(qiáng)大的聚酮合成能力，以及適合大規(guī)模發(fā)酵的抗逆性和非黏性菌絲形態(tài)，將其開發(fā)成高產(chǎn)聚酮的特色底盤細(xì)胞，應(yīng)用于蒽醌和黃酮類等植物源聚酮化合物的高效合成，將具有很好的工業(yè)化優(yōu)勢。

大黃素甲醚作為一種植物源蒽醌類生物農(nóng)藥，用于植物白粉病、霜霉病、灰霉病和炭疽病等植物病害的防治，傳統(tǒng)上主要從中藥大黃中提取獲得。本文作者研究團(tuán)隊(duì)以產(chǎn)洛伐他汀工業(yè)土曲霉作為底盤細(xì)胞，通過內(nèi)源途徑激活實(shí)現(xiàn)了蒽醌的高效合成，以及通過闡明蒽醌開環(huán)機(jī)制指導(dǎo)合成途徑理性改造，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵中間體大黃素的高效積累。進(jìn)一步采取多種策略成功挖掘到大黃素-3-羥基-O-甲基轉(zhuǎn)移酶元件，并在產(chǎn)大黃素菌株中進(jìn)行適配性異源重構(gòu)，成功構(gòu)建了高效合成大黃素甲醚的土曲霉細(xì)胞工廠，在百升罐中產(chǎn)量達(dá)到6.3 g/L。該技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了植物源殺菌劑大黃素甲醚的微生物高效合成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式從傳統(tǒng)植物提取的農(nóng)業(yè)模式到現(xiàn)代微生物發(fā)酵工業(yè)模式的技術(shù)革新。

黃酮是一類廣泛存在于植物中的活性天然產(chǎn)物，在功能性食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，是合成生物技術(shù)開發(fā)的重要目標(biāo)。近年來，已經(jīng)在酵母等模式微生物中實(shí)現(xiàn)了多種重要植物黃酮合成途徑的異源重構(gòu)，仍然面臨著植物途徑與微生物底盤的適配性問題，挖掘微生物來源的黃酮合成途徑是解決問題的可行方案。中國科學(xué)院微生物研究所尹文兵團(tuán)隊(duì)在無花果擬盤多毛孢菌中鑒定了新穎的查耳酮合酶，該酶屬于非核糖體肽合成酶—聚酮合酶（NRPS-PKS），其催化機(jī)制顯著區(qū)別于植物中的Ⅲ型PKS查耳酮合酶。與此同時(shí)，本文作者研究團(tuán)隊(duì)在亮白曲霉中也發(fā)現(xiàn)了相似的NRPS-PKS類型查耳酮合酶及完整的真菌黃酮合成基因簇，通過異源重構(gòu)在米曲霉中實(shí)現(xiàn)了喬松素和白楊素等多種黃酮化合物的生物合成。上述發(fā)現(xiàn)不僅豐富了自然界中黃酮合成途徑的多樣性，也為利用真菌生產(chǎn)黃酮類化合物提供了新的路徑。

絲狀真菌細(xì)胞工廠合成有機(jī)酸生物基化學(xué)品

土曲霉、黑曲霉等有機(jī)酸工業(yè)生產(chǎn)菌株，不僅具有強(qiáng)大高效的中心碳代謝能力和有機(jī)酸分泌能力，還在工業(yè)生產(chǎn)過程中展現(xiàn)出耐酸、耐高溫等優(yōu)良抗逆特性。這些特性使得它們能夠成為理想的有機(jī)酸化學(xué)品高效合成底盤細(xì)胞，在開發(fā)有機(jī)酸綠色生物制造技術(shù)過程中發(fā)揮重要作用（圖4）。

反式烏頭酸是一種六碳不飽和三元羧酸，獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)使其在生物農(nóng)藥、生物基材料和食品領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用價(jià)值，入選了美國能源部遴選的30種具有應(yīng)用潛力的生物基平臺化合物清單。然而，由于缺乏規(guī)?；a(chǎn)途徑阻礙了反式烏頭酸的下游應(yīng)用開發(fā)。本文作者研究團(tuán)隊(duì)以低pH值耐受的衣康酸工業(yè)菌株為底盤，構(gòu)建了產(chǎn)反式烏頭酸土曲霉細(xì)胞工廠，并在20 t罐中完成發(fā)酵工藝開發(fā)，建立了國際首條反式烏頭酸的微生物綠色制造生產(chǎn)示范線，推動了反式烏頭酸在殺線蟲生物農(nóng)藥中的應(yīng)用。針對全球數(shù)百萬t石油基鄰苯類增塑劑因健康危害亟待被替代而又無法替代的產(chǎn)業(yè)“卡脖子”困境，研究團(tuán)隊(duì)以反式烏頭酸為原料開發(fā)了新型生物基增塑劑反式烏頭酸酯，建成了全鏈條技術(shù)貫通的生產(chǎn)示范線。與市場上主流增塑劑進(jìn)行全面性能對比，反式烏頭酸三丁酯等產(chǎn)品具有安全環(huán)保、高效增塑和長效穩(wěn)定的優(yōu)勢，有望在一定程度上替代傳統(tǒng)的石油基鄰苯類增塑劑，為突破塑料行業(yè)的發(fā)展瓶頸提供了新的解決方案。

黑曲霉作為檸檬酸的工業(yè)化生產(chǎn)菌株，憑借其優(yōu)異的耐酸性能、高生產(chǎn)強(qiáng)度、安全性及對廉價(jià)碳源的高效利用等，被認(rèn)為是合成三羧酸循環(huán)中有機(jī)酸的理想工業(yè)底盤。天津科技大學(xué)劉浩團(tuán)隊(duì)基于自主篩選的黑曲霉底盤，成功構(gòu)建了高效合成蘋果酸的黑曲霉菌株，進(jìn)一步通過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白鑒定與強(qiáng)化、還原力平衡調(diào)控、提升菌株抗逆性，蘋果酸的產(chǎn)量達(dá)到了201.1 g/L，糖酸轉(zhuǎn)化率為1.64 mol/mol，該技術(shù)已在昊禾生物科技（常州）有限公司完成了百t級發(fā)酵生產(chǎn)示范。通過對黑曲霉全基因組代謝模型預(yù)測，對琥珀酸合成代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，通過強(qiáng)化還原力供應(yīng)、產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)，使得黑曲霉以糖蜜為原料生產(chǎn)琥珀酸的產(chǎn)量達(dá)到23 g/L，對利用非糧生物質(zhì)生產(chǎn)有機(jī)酸進(jìn)行了探索性評估。

在非糧生物質(zhì)利用方面嗜熱毀絲菌具有獨(dú)特優(yōu)勢，作為一種耐高溫（45℃—50℃）的工業(yè)絲狀真菌，具備快速降解纖維素和高產(chǎn)纖維素酶的能力。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所田朝光團(tuán)隊(duì)利用嗜熱毀絲菌為底盤，通過代謝工程改造強(qiáng)化還原性三羧酸循環(huán)（rTCA）途徑及蘋果酸轉(zhuǎn)運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了利用玉米芯生物質(zhì)為碳源，蘋果酸產(chǎn)量達(dá)到181 g/L，糖酸轉(zhuǎn)化率為0.99 g/g，開發(fā)了高溫條件下利用可再生纖維素生物質(zhì)合成大宗化學(xué)品的嗜熱毀絲菌細(xì)胞工廠，為多種有機(jī)酸化學(xué)品的綠色生物制造技術(shù)開發(fā)提供新的選擇方案。

絲狀真菌底盤合成功能性蛋白質(zhì)的應(yīng)用

絲狀真菌具有強(qiáng)大的蛋白質(zhì)折疊、翻譯后修飾和分泌能力，以及易于誘導(dǎo)及大規(guī)模發(fā)酵技術(shù)成熟等優(yōu)勢，商業(yè)化生產(chǎn)了糖化酶、纖維素酶、漆酶、植酸酶、蛋白酶、酯酶和葡糖氧化酶等非常重要的核心工業(yè)酶制劑，成為酶制劑產(chǎn)能最大的一類工業(yè)微生物。目前，工業(yè)化應(yīng)用成熟工業(yè)菌株主要來源于曲霉屬、木霉屬和青霉屬，其中黑曲霉、里氏木霉、米曲霉和產(chǎn)黃青霉被認(rèn)定為食品安全菌株，具有更廣泛的應(yīng)用前景。隨著合成生物技術(shù)的快速發(fā)展，絲狀真菌的應(yīng)用已經(jīng)從傳統(tǒng)的工業(yè)酶制劑等蛋白質(zhì)產(chǎn)品拓展到了食品替代蛋白、抗體等產(chǎn)品合成領(lǐng)域。江西富祥藥業(yè)有限公司與江南大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了短柄鐮刀菌底盤發(fā)酵生產(chǎn)微生物蛋白關(guān)鍵技術(shù)，并成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，年產(chǎn)能達(dá)1 200 t。此外，美國Dyadic 國際公司利用嗜熱毀絲霉開發(fā)了C1蛋白質(zhì)生產(chǎn)平臺，實(shí)現(xiàn)了抗體蛋白人流感疫苗和新冠病毒刺突蛋白疫苗的高效生產(chǎn)。醫(yī)藥和食品是現(xiàn)代生物制造的重要應(yīng)用場景，這些工作展示了絲狀真菌在酶制劑之外的蛋白質(zhì)產(chǎn)品生產(chǎn)方面同樣具有挖掘潛力。

展望與建議

憑借強(qiáng)大的初級代謝和次級代謝合成能力，工業(yè)絲狀真菌在合成特定類型化合物方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。更重要的是，工業(yè)絲狀真菌具有適合大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)異性能和成熟產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，技術(shù)的工程化放大風(fēng)險(xiǎn)相對較小，從而使得產(chǎn)業(yè)化落地更具可行性和可靠性。然而，為了進(jìn)一步推進(jìn)絲狀真菌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要加強(qiáng)使能技術(shù)開發(fā)、認(rèn)識深層高產(chǎn)機(jī)制及探究共性問題等基礎(chǔ)方面的研究，同時(shí)也需要從企業(yè)、市場、政策等方面思考進(jìn)一步推進(jìn)絲狀真菌在生物制造中的應(yīng)用。

開發(fā)絲狀真菌特色使能技術(shù)

雖然目前CRISPR/Cas的基因編輯技術(shù)已在多種絲狀真菌中實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，然而，其仍然面臨篩選標(biāo)記受限、編輯效率不高、存在脫靶效應(yīng)及純合轉(zhuǎn)化子難分離等挑戰(zhàn)。研究絲狀真菌產(chǎn)生不同細(xì)胞核分布類型的機(jī)制、細(xì)胞周期對基因編輯效率的影響，能夠指導(dǎo)高質(zhì)量原生質(zhì)體制備技術(shù)；優(yōu)化Cas蛋白的表達(dá)策略，實(shí)現(xiàn)可控的高效功能性表達(dá)，從而在提高編輯效率的同時(shí)降低基因毒性和脫靶效應(yīng)；進(jìn)一步優(yōu)化體外核糖核蛋白（RNPs）技術(shù)，提高Cas蛋白、sgRNA和donorDNA的膜穿透率及細(xì)胞核精準(zhǔn)遞送效率；除此之外，結(jié)合絲狀真菌的基因組遺傳特征，開發(fā)真菌特色的新型CRISPR系統(tǒng)，如Fanzor系統(tǒng)或CRISPR-轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)更高效的多基因編輯，支撐更多代謝工程改造策略的開發(fā)與應(yīng)用。

深入研究絲狀真菌中共性的關(guān)鍵科學(xué)問題

目前，絲狀真菌研究主要集中在基因編輯技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)物途徑解析等方面，但對于絲狀真菌共性難題的研究還不夠深入，嚴(yán)重制約了合成生物技術(shù)的發(fā)展。工業(yè)生產(chǎn)中遇到的技術(shù)困境需要從基礎(chǔ)科學(xué)研究中尋求突破，包括真菌孢子發(fā)育形成機(jī)制與工業(yè)孢子批量制種難題，菌絲形態(tài)發(fā)育調(diào)控與非黏性發(fā)酵工藝，全基因組代謝模型與精準(zhǔn)的發(fā)酵過程多尺度優(yōu)化。對上述關(guān)鍵科學(xué)問題的系統(tǒng)性探索，能夠加深對絲狀真菌生理代謝與發(fā)育的認(rèn)識，更精準(zhǔn)地為后續(xù)菌株理性改造提供關(guān)鍵靶點(diǎn)，解決制種、產(chǎn)物靶向合成和形態(tài)控制等共性的生產(chǎn)技術(shù)難題。

強(qiáng)化非糧生物質(zhì)資源的利用

非糧生物質(zhì)資源的開發(fā)利用，不僅能夠有效緩解對傳統(tǒng)糧食資源的壓力，還能促進(jìn)資源的可再生循環(huán)利用。然而，非糧生物質(zhì)利用面臨著原材料難處理、糖化和發(fā)酵轉(zhuǎn)化效率低、綜合成本控制難度大等難題，絲狀真菌因其強(qiáng)大的生物質(zhì)降解能力和抗逆性等，在非糧生物質(zhì)利用中展現(xiàn)出巨大潛力。應(yīng)用合成生物學(xué)技術(shù)重構(gòu)生物質(zhì)利用途徑，開發(fā)高效的非糧生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)和處理工藝，能夠提升工業(yè)絲狀真菌生物質(zhì)的利用效率。進(jìn)一步探索非糧生物質(zhì)糖化和發(fā)酵新工藝，以及生物基材料和化學(xué)品的新生產(chǎn)途徑，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)非糧生物質(zhì)對傳統(tǒng)的發(fā)酵底物的替代，如糖和淀粉等，進(jìn)一步降低發(fā)酵成本，實(shí)現(xiàn)降本增效，還能夠有效解決與人爭糧的問題，為國家糧食安全戰(zhàn)略提供有力支撐。

（作者：杜志強(qiáng)、門萍、張璇、黃雪年、呂雪峰，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所 青島新能源山東省實(shí)驗(yàn)室 山東能源研究院；周宇，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所青島新能源山東省實(shí)驗(yàn)室 山東能源研究院 濟(jì)南大學(xué)智能材料與工程研究院?！吨袊茖W(xué)院院刊》供稿）