摘要：伊枯草菌素 A 是一类由芽孢杆菌产生的环脂肽，具有广谱抗真菌活性，同时对植物和动物宿主的安全性较高，因此在绿色农药、食品保鲜以及生物医药等领域均展现出广阔应用前景。然而，天然菌株的产量水平极低，难以满足市场需求，其根本原因在于合成过程依赖的前体分子在细胞内供应
伊枯草菌素 A 是一类由芽孢杆菌产生的环脂肽，具有广谱抗真菌活性，同时对植物和动物宿主的安全性较高，因此在绿色农药、食品保鲜以及生物医药等领域均展现出广阔应用前景。然而，天然菌株的产量水平极低，难以满足市场需求，其根本原因在于合成过程依赖的前体分子在细胞内供应不足，且代谢网络过于复杂，限制了高效合成的可能性。
近期，天津大学程景胜等人通过一项多模块途径工程策略，成功将解淀粉芽孢杆菌改造成高效细胞工厂，使抗菌脂肽伊枯草菌素 A 的产量显著提升，并在 7.5 L 发酵罐中创下 7.62 g/L 的最高纪录，为其工业化生产铺平了道路。目前该成果以“Multimodular Pathway Engineering of Bacillus amyloliquefaciens for Intensifying Iturin A Production”为题发表在 Journal of Agricultural and Food Chemistry 上。
为突破生产瓶颈，研究团队提出了系统性的多模块途径工程思路，将细胞代谢拆分为若干核心模块，并通过精确的基因工程手段逐一优化。在脂肪酸合成模块中，团队敲除了转录抑制因子 fapR 以解除抑制效应，过表达了关键基因 fabG 以加速脂肪酸延伸，并通过删除 mmgA 调整乙酰辅酶 A 的代谢流向，使其更倾向于脂肪酸合成。经过这一系列操作，工程菌株的脂肪酸合成能力得到强化，为 Iturin A 的合成提供了更充足的“骨架”供应。
在氨基酸模块的优化中，脯氨酸和丝氨酸作为关键前体得到了特别强化。团队一方面阻断了负责其降解的基因 fadM 和 sdaAB，避免宝贵的氨基酸被分解；另一方面通过过表达 proBA 和 serC 增强了其合成能力，从而显著提升了这两类氨基酸的细胞内库容。实验数据显示，经过此模块改造后，工程菌株的伊枯草菌素 A 产量实现了稳定提升，验证了氨基酸供给在限制产量方面的关键作用。
图 | 伊枯草菌素 A 合成途径及多模块代谢工程改造示意图
支链氨基酸代谢则是另一个关键切入点。研究团队通过过表达 ilvD 提升支链氨基酸的合成通量，同时发现敲除 gabT 可减少其下游消耗，从而将更多的支链氨基酸流向 Iturin A 合成通路。改造结果显示，支链氨基酸的代谢流向得到优化，Iturin A 产量在此基础上进一步提高。在此过程中，团队通过转录水平分析证实，关键基因的上调表达为前体供应提供了有力保障。
接下来，团队还强化了氮源摄取模块。通过过表达寡肽转运系统 opp 操纵子，工程菌株在氮源利用效率上得到显著提升，为高速合成提供了坚实的营养保障。这些模块间的协同作用使得工程菌株在整体代谢网络中表现出远超野生型的合成能力。研究人员在摇瓶发酵和中试规模的 7.5 L 罐体中系统验证了改造效果，最终实现了稳定的高产表现。
经过上述多重优化，最终得到的工程菌株 ITU221 展现出前所未有的性能。在高浓度底物条件的 7.5 升发酵罐中，其伊枯草菌素 A 产量达到 7.62 g/L，生产效率为 0.14 g/L/h，两项指标均刷新了此前的最高纪录。与以往依赖单一基因或通路改造的策略不同，本研究的成功归功于多模块的协同优化，证明了代谢网络重构需要系统性设计而非局部修补。进一步的对照实验显示，如果仅引入单一模块改造，产量提升幅度远不及多模块叠加，这一结果突显了模块间相互作用在代谢优化中的决定性作用。
图 | 工程菌株 ITU221 在 7.5 L 发酵罐中实现的伊枯草菌素 A 高产结果
这一成果不仅是产量提升的技术突破，更展示了多模块协同代谢工程的巨大潜力。通过理性设计和整合优化，研究团队为合成生物学在天然产物生产中的应用提供了新范式。该方法具有较强的通用性，未来可应用于其他高价值化合物的合成，推动合成生物学向更广阔的产业化方向发展，同时也为降低生产成本和实现规模化提供了可能性。整体而言，这项研究为合成生物学驱动的生物制造提供了重要的实践案例和理论参考。
参考链接：
1.Hou ZJ, Shang W, Song KG, Liu JH, Xu QM, Cheng JS. Multimodular Pathway Engineering of Bacillus amyloliquefaciens for Intensifying Iturin A Production. J Agric Food Chem. Published online September 16, 2025. doi:10.1021/acs.jafc.5c06329
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来源：生辉SciPhi
