清華新聞網(wǎng)2月24日電 核心菌種是生物制造產(chǎn)業(yè)的“芯片”，決定了發(fā)酵工藝的效率、成本與產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)前，我國(guó)生物制造產(chǎn)業(yè)的核心菌種超過(guò)80%依賴(lài)進(jìn)口，從大宗氨基酸、有機(jī)酸到酶制劑，諸多關(guān)鍵生產(chǎn)菌株依賴(lài)國(guó)外。這一局面不僅推高了技術(shù)引進(jìn)與工藝適配的成本，更在產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈層面埋下隱患。在生物經(jīng)濟(jì)上升為國(guó)家戰(zhàn)略、新型工業(yè)化加速推進(jìn)的背景下，核心微生物菌種的自主可控已成為行業(yè)必須突破的瓶頸。
清華大學(xué)生命學(xué)院陳國(guó)強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)從野生環(huán)境中分離得到耐鹽堿的嗜鹽菌（Halomonasspp.）天然菌株，開(kāi)展了二十年余年系統(tǒng)攻關(guān)，成功創(chuàng)制出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型底盤(pán)細(xì)胞——Halomonas bluephagenesis TD系列及其衍生菌株，實(shí)現(xiàn)在開(kāi)放條件下連續(xù)發(fā)酵，徹底規(guī)避滅菌環(huán)節(jié)，顯著降低能耗與設(shè)備成本，在國(guó)際上首次提出并建立了基于極端微生物的下一代工業(yè)生物技術(shù)（NGIB）。然而，嗜鹽菌底盤(pán)依賴(lài)較高鹽度（通常30-60g/L NaCl）以維持細(xì)胞生理穩(wěn)態(tài)與代謝活性。這一高鹽依賴(lài)在一定程度上限制了其在更低鹽、更靈活工藝體系中的應(yīng)用拓展，也增加了后續(xù)廢水處理與環(huán)境負(fù)荷。如何在保持開(kāi)放非無(wú)菌培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，降低嗜鹽菌對(duì)高鹽環(huán)境的依賴(lài)，從而構(gòu)建更節(jié)能、更低碳、更普適的國(guó)產(chǎn)自主生物制造平臺(tái)，是該領(lǐng)域亟須突破的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，陳國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)采用迭代工程化改造策略，系統(tǒng)優(yōu)化菌株的低鹽適應(yīng)性，成功構(gòu)建了在僅含0.1%（w/v）NaCl條件下仍可穩(wěn)健生長(zhǎng)的SSM系列工程菌株。該研究圍繞該系列菌株的構(gòu)建邏輯、低鹽適應(yīng)機(jī)制及其生物合成性能展開(kāi)系統(tǒng)闡述，為嗜鹽菌底盤(pán)的精細(xì)化工程改造提供新范式，也為我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)工業(yè)菌株的深度優(yōu)化與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定理論依據(jù)與技術(shù)儲(chǔ)備。
2月11日，研究成果以“工程化改造鹽單胞菌實(shí)現(xiàn)低鹽條件下的開(kāi)放式非無(wú)菌聚羥基丁酸合成”（EngineeringHalomonasfor Low Salt Open Unsterile Production of Polyhydroxybutyrate）為題，在線(xiàn)發(fā)表于《生物技術(shù)趨勢(shì)》（Trends in Biotechnology）。研究以嗜鹽菌Halomonas bluephagenesis為研究對(duì)象，通過(guò)系統(tǒng)性的工程化改造，構(gòu)建了一系列在低鹽條件下仍保持穩(wěn)健生長(zhǎng)能力的工程化菌株。采用迭代式“優(yōu)中選優(yōu)”的工程策略，研究團(tuán)隊(duì)在逐輪篩選與優(yōu)化中獲得了高度適應(yīng)低鹽環(huán)境的H.bluephagenesis TD 1.0 SSM系列菌株。該系列菌株在鹽度最低僅0.1%（w/v）NaCl且pH=9的高堿性條件下仍可穩(wěn)定生長(zhǎng)，同時(shí)保留其在高鹽環(huán)境中的耐受特性，從而顯著拓展了嗜鹽菌的滲透壓適應(yīng)范圍。
圖1.圖形摘要
研究團(tuán)隊(duì)綜合運(yùn)用了基因編輯、適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化、代謝重構(gòu)以及發(fā)酵過(guò)程工程等多種策略，對(duì)H.bluephagenesis的滲透壓調(diào)控、細(xì)胞形態(tài)與代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化。多組學(xué)與表型分析結(jié)果顯示，低鹽適應(yīng)型菌株在細(xì)胞表面性質(zhì)、細(xì)胞形態(tài)及群體行為等方面發(fā)生了顯著改變，表現(xiàn)為細(xì)胞體積增大、自發(fā)絮凝增強(qiáng)以及生物合成能力的整體提升。在7L生物反應(yīng)器中，該工程菌株在僅含有5g/L NaCl的礦物培養(yǎng)基發(fā)酵條件下即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的開(kāi)放非無(wú)菌培養(yǎng)，并在44小時(shí)內(nèi)獲得最高約76g/L的細(xì)胞干重，其中PHB含量高達(dá)86%，碳源底物葡萄糖到PHB的轉(zhuǎn)化率約39%。上述結(jié)果表明，該工程化嗜鹽菌體系在顯著降低鹽度依賴(lài)的同時(shí)，仍可保持優(yōu)異且穩(wěn)定的生物制造性能，不僅為未來(lái)節(jié)能、低碳、低成本的工業(yè)生物技術(shù)路線(xiàn)提供了可行范式，也拓展了嗜鹽菌在更廣泛工藝條件下的應(yīng)用潛力。此外，研究系統(tǒng)揭示了嗜鹽菌在低滲環(huán)境下的適應(yīng)性重構(gòu)特征，為深入理解微生物滲透壓適應(yīng)與環(huán)境響應(yīng)機(jī)制提供了重要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和新的研究證據(jù)。
圖2.迭代工程化改造構(gòu)建的廣域鹽度適應(yīng)型H.bluephagenesis SSM系列底盤(pán)的模式圖
清華大學(xué)生命學(xué)院教授陳國(guó)強(qiáng)為論文通訊作者，生命學(xué)院2021級(jí)博士生孫思勉為論文第一作者，生命學(xué)院2022級(jí)博士生邵明威、2024屆博士畢業(yè)生胡啟跳、2025屆博士畢業(yè)生金云帆、2024屆博士畢業(yè)生張忠楠為研究作出重要貢獻(xiàn)，生命學(xué)院副研究員吳赴清參與了課題指導(dǎo)與幫助。研究得到科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助，同時(shí)得到北京微構(gòu)工廠(chǎng)、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心以及清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)分析中心下屬電鏡平臺(tái)的大力支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2026.01.002
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
