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如今，在“双碳”背景下，中国高度重视具有绿色生物制造属性的合成生物学产业，在政策制定、合成生物学专项和专业技术人才培养方面都给予了全方位的支持和保障。 合成生物学的应用已拓展至绿色生物制造、医药健康、食品工业、环境生态、化工材料等各个领域。在工业生物技术特别是代谢工程育种和细胞工厂构建方面，合成生物学的设计-构建-测试-学习（DBTL）理念具有重要的指导意义。 “底层技术发展使得业界可以较低的 DBTL 成本进行菌种培育，无论是在技术方面还是产品方面，合成生物学的发展对微生物代谢工程育种的推动作用都是毋庸置疑的。”陈献忠说道。 陈献忠博士毕业于江南大学的发酵工程专业，之后曾赴德班理工大学开展博士后研究，为期一年。目前的研究方向是选择一些具有潜力的非模式菌株，通过开发高效遗传操作系统，利用合成生物学和代谢工程构建新型细胞工厂。
▲图丨陈献忠（来源：受访者提供） 博士期间，陈献忠的研究课题为“挖掘产甘油工业酵母的甘油合成关键基因并进行生理功能鉴定，以对这株非模式酵母的耐高渗特殊生理机制做些探索”。也正是从那时起，他开始对一些具有特殊生理特征的非模式菌株产生了兴趣，目前的研究方向正是延续了科研萌芽时期的兴趣。 “在合成生物学方面，我们课题组针对一些非模式工业酵母开发了系列高效的基因编辑技术和代谢调控方法，为代谢工程改造提供了有效的工具。” 构建热带假丝酵母高效遗传操作系统，效率提高 3 倍以上中国有句古话：工欲善其事，必先利其器。非模式工业酵母的遗传操作效率低，这在很大程度上限制了其作为细胞工厂应用潜力的挖掘。 比如陈献忠团队研究的热带假丝酵母，这是一种二倍体的非常规酵母，具有细胞生长快、环境耐受能力强、底物范围广等特点，也是发酵法生产长链二元酸、木糖醇以及单细胞蛋白等物质的重要工业菌种，极具工业应用潜力。
▲图丨热带假丝酵母（来源：wikipedia） 但是，热带假丝酵母的遗传操作和表达体系受到诸多限制，导致它的代谢工程研究进展较为缓慢。 主要表现在二倍体的遗传性状，不具有典型的有性生殖阶段，难以分离单倍体细胞；缺乏高效的遗传转化和多基因删除技术；密码子特殊性和偏好性，其中将 CUG 密码子翻译成丝氨酸，而非常规的亮氨酸，这是影响异源基因高效表达的关键因素之一；外源基因表达系统不成熟，启动子、复制子、终止子等表达元件缺乏，更没有很好的游离表达体系。 陈献忠团队针对热带假丝酵母的研究始于 2013 年。 “当时有一家领域内知名的跨国企业找到我们，寻求技术上的合作，恰好我们在其他非常规酵母的研究中已经积累了一定的技术，于是便着手研究建立热带假丝酵母的遗传操作平台并尝试建立系列细胞工厂。” 据他介绍，最初是想通过筛选和优化基因删除辅助序列以提高遗传转化效率，实现标记基因的重复使用。尽管这个方法实现了重组效率的提升和遗传标记基因的高效弹出，但是周期还是比较长。 于是，陈献忠等人从 2016 年开始尝试建立热带假丝酵母的 CRISPR-Cas 基因编辑系统。从基因组测序、启动子文库筛选与功能评价、核酸酶基因和 gRNA 序列优化等，实现基因删除、基因定点突变、外源基因的敲入和代谢途径多基因的一步组装。
（来源：Biotechnology and Bioengineering） “与传统遗传操作系统相比，该系统的效率提高了 3 倍以上，在此基础上，我们又开发了基于 tRNA-gRNA 策略的 CRISPR-dCas9 基因表达调控系统。”
（来源：Microbiology Spectrum） 已实现多种精细化学品的高效生产，以工业应用为落脚点假丝酵母在乙酰辅酶 A 合成能力和脂类积累方面也有自身优势，这些是高效合成萜类产物的重要基础。 为了放大这些优势，陈献忠等人利用前面搭建的基因编辑和调控平台构建了系列合成萜类天然产物的细胞工厂。 “首先利用模块化工程将萜类代谢途径分为三个模块，分别组装到细胞的不同亚细胞器部位，通过亚细胞空间组合优化实现了目的产物的高效合成。” 据他介绍，目前，团队在利用酵母细胞工厂生产 α-蛇麻烯 、β-胡萝卜素、西柏三烯一醇和次丹参酮二烯方面建立了先进的具有竞争力的发酵工艺技术路线，部分产品已进行中试放大生产。 同时，“我们也针对其他假丝酵母如高产槐糖脂的熊蜂生假丝酵母，构建了相关基因组编辑平台，并实现了特定结构槐糖脂的高效发酵生产。”
（来源：ACS Synthetic Biology） 陈献忠表示，这些研究很大一部分是以工业应用作为落脚点的，最终的目的是推动工业生物技术的进步以及推动发酵产业的发展和提升。 “目前，我们的部分研究成果已经或者正在相关企业中落地放大，并表现出较高的竞争力。比如，羟基酪醇和红景天苷等芳香族天然化合物的生物制造相关技术已经应用于工业生产；唾液酸、甘油葡萄糖苷等精细化学品的微生物发酵技术也已经完成了中试生产测试。”
（来源：受访者提供） “通常，我们在研发过程中最好的模式还是课题从企业中来，成果到企业中去。至于与企业之间具体的合作模式，主要有技术服务、技术开发、知识产权转化、技术入股等不同形式，同时我们江南大学也有产业技术研究院专门负责学校教授成果的转化和推广服务。” 从实验室到产业化，应重点关注人才培养和选品决策在陈献忠看来，微生物代谢工程育种最终还是要为工业应用服务，“但真正从实验室走到产业化，成功率其实不高。”从应用的角度，他指出了其中存在的问题和挑战，也给出了相应的建议。 总的来看，问题集中在人才培养和选品决策上。 除了菌种本身的因素影响外，相关的人才储备、工艺开发、设备升级等都会影响到工业化生产的成败。“而实际上，我们做前端研究的人轰轰烈烈，人数众多，而中游的工艺放大和下游分离提取的研究人员比例偏少，这也是限制合成生物学产业在工业化过程中发展壮大的因素之一。” 在产品种类选择上能否做到有的放矢则是一大挑战。“我们的目标是想替代传统的化工技术路线，还是与已有的生物技术路线进行竞争，要把原有路线存在的问题和新技术路线的竞争优势搞清楚，这个研究才有可能真正转化为生产力。” 他希望，今后在研究合成生物学新理论新技术的同时，还要注重发酵工程上游、中游和下游全链条人才的培养。“这也是绿色生物制造产业发展的重要保障”。
（来源：受访者提供） “目前看来，生物技术（BT）、信息技术（IT）等学科的深度融合是未来的发展趋势，在合成生物学的加持下会产生颠覆性技术，催生新的生产方式，这也是今后多学科融合发展的一个重要方向。” |
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