中國網/中國發展門戶網訊 生物制造以工業生物技術為焦點，融會了分解生物技術、過程工程技術，努力于目標產品的生物加工過程。近年來，隨著分解生物底層技術、關鍵焦點技術的不斷衝破，生物制造在工業制造領域的主要性日益凸顯，成為推動產業創新和轉型升級的主要氣力。全球重要經濟體如american、歐盟、英國、japan(日本)和加拿年夜等都積極制訂了新的生物制造發展路線圖和行動計劃。我國也在2023年中心經濟任務會議及2024年《當局任務報告》中將生物制造定位為生物經濟戰略性新興產業發展標的目的，重點推動其在生物制藥、生物資料和生物動力等重點領域的發展，促進產業的綠色升級和經濟的高質量發展。
絲狀真菌（filamentous fungi）在生物制造領域飾演著舉足輕重的腳色，分解了眾多與人類生涯親密相關的主要產物（表1）。長期的工業化生產應用實踐，展現了工業絲狀真菌具有強年夜的自然產物和酶卵白分解才能，以及高產量、高轉化率和高生產強度的工業發酵優勢。在Web of Science數據庫中檢索發現（圖1），2000—2023年觸及絲狀真菌生物分解、代謝工程改革及發酵工藝優化等標的目的的研討論文數量呈現逐年遞增趨勢。這一趨勢不僅提醒了絲狀真菌在生物制造領域的研討熱度不斷上升，也展現了其在生物制造應用的潛力和主要性。
測序技術的發展極年夜推動了大批分歧種屬的真菌基因組測序，截至2024年11月，NCBI、JGI和FungiDB等數據庫中已收錄超過6 000種真菌基因組序列，超過2 000個基因組有相關注釋信息。多組學技術、基因重組及CRISPR/Cas9基因編輯技術的發展，為真菌心理生化、分解機制解析，以及細胞工廠的感性改革等方面供給了主要的技術手腕。通過不斷優化、引進和開發高效使能技術，晉陞了絲狀真菌的遺傳改革才能，從而在工業菌株理包養網性改革和新型細胞工廠構建方面獲得主要進展。本文對典範工業絲狀真菌在主要化學品的分解及細胞工廠構建的最新進展進行了綜述，并對絲狀真菌在生物制造領域應用遠景進行了瞻望。
絲狀真菌工業菌株的感性設計改革
企業通過長期的誘變選育，獲得了一系列高產的絲狀真菌工業菌株，應用于醫藥化學品、大批化學品、工業酶制劑和食物色素等分歧類型產品的商業化生產。盡管這般，傳統的誘變選育方式存在任務量年夜、缺少針對性、晉陞空間無限等制約原因，難以實現年夜的衝破。比擬之下，基于分解機制與系統生物學指導的代謝工程改革戰略具有很好的靶向性和高效性，在分解途徑設計、目標產物分解及副產物打消等方面更具優勢。近年來，我國工業絲狀真菌感性改革研討獲得了關鍵技術衝破和產業化應用，有用推動了現有產品生產技術的提質增效（圖2）。
醫藥化學品生產菌株的感性改革
絲狀真菌出色的次級代謝產物分解才能推動了多個主要醫藥、農藥產品的創制，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、免疫克制劑霉酚酸、麥角生物堿類等主要藥物，以及植物生長安慰素赤霉素等。近年來，這些主要醫藥化學品生物分解途徑及深層調控機制遭到了科研人員的廣泛關注，為工業菌株改革戰略開發和技術創新供給了主要依據。這些技術進步將有助于進步我國相關企業的國際競爭力，減輕患者的用藥負擔。
辛伐他汀是最主要的降血脂藥物之一，2023年辛伐他汀全球銷售額達55億美元。今朝，工業上重要采用生物-化工兩階段生產，起首是土曲霉發酵生產洛伐他汀，然后堿水解處理天生莫納可林J，進一個步驟通過催化分解辛伐他汀。但是，莫納可林J制備的堿水解工藝生產效力較低、環境淨化嚴重，增添了企業的環保壓力和生產本錢。本文作者研討團隊通過內源分解途徑感性優化、異源元件高效重構及特異性調控改革戰略，將洛伐他汀工業生產土曲霉菌株改革成了高效的莫納可林J生產菌株，構建了土曲霉一個步驟發酵生產莫納可林J的新工藝。該任務簡化了辛伐他汀生產工藝，并買通了全生物分解技術路線，已經與浙江海正藥業達成技術轉讓。
棘白菌素類抗真菌藥物是治療深部真菌沾染的一線臨床用藥，包含卡泊芬凈、米卡芬凈、阿尼芬凈和雷扎芬凈，生產過程面臨產量低、副產物多、分離純化困難等難題。針對企業提出的技術需求，本文作者研討團隊將藥物分解機制從分解途徑層面延長至深層次的調控機制，發現了米卡芬凈前體FR901379生物分解的跨基因簇協同調控機制，并提出特異性調控改革戰略。結合傳統的分解途徑改革和發酵工藝優化使產量從0.3 g/L進步至4.0 g/L，顯著高于現有工業生產程度。該技術已經與企業達成一起配合并完成了2 t罐縮小驗證，類似的戰略同樣勝利應用于卡泊芬凈和阿尼芬凈前體的工業菌株感性改革。
赤霉素是主要的植物生長調節劑，能有用促進植物種子萌發、下胚軸伸長、開花時間和果實發育等多個過程，對于農業增產豐收至關主要。赤霉素工業菌株藤倉赤霉菌存在發酵產量低、穩定性差、發酵組分復雜等問題，導致生產本錢過高、品控難度較年夜。通過對菌株代謝網絡的深度懂得有助于進一個步驟開發菌株生產潛力，南京師范年夜學黃和團隊基于全基因組代謝模子，預測并開發多種代謝工程戰略強化轉錄因子、前體供應、電子傳遞鏈，并進步限速酶催化活氣，打消多種副產物，極年夜進步了赤霉素的生產程度。該技術已應用于江西新瑞豐生化股份無限公司赤霉素的工業化生產，顯著晉陞了企業的經濟效益和市場競爭力。
有機酸生產菌株的感性改革
除了分解次級代謝產物之外，工業絲狀真菌也展現出強年夜的初級代謝才能，被應用于有機酸的生產，如檸檬酸、衣康酸等。今朝工業生產中，檸檬酸、衣康酸的糖酸轉化率已接近理論轉化率，傳統代謝工程改革難以進一個步驟進步其產量和糖酸轉化率，系統性剖析宏觀發酵過程，結合分子、多組學等微觀層面信息，增強工業菌株的抗逆性、魯棒性，可以晉陞生產強度及時空產率；同時，進一個步驟拓展底物譜，構建非糧生物質的應用途徑，無望下降有機酸發酵本錢。
檸檬酸是今朝全球需求量最年夜的發酵單品，廣泛應用于食物醫藥和輕工等行業，預計2030年全球產值無望達到1 600億元。中國是世界上最年夜的檸檬酸生產國，年產量高達約150萬—200萬 t，重要生產企業包含濰坊英軒、山東檸檬生化、日照金禾集團、國信協聯、萊蕪泰禾生化、中糧生物科技等。在實際生產中，長期誘變篩選和發酵工藝優化，獲得了高產量及產率的工業菌株。但是，今朝發酵糖酸轉化率已接近閾值，傳統的戰略難以實現進一個步驟的晉陞。通過擾動菌株初級代謝通路，促使代謝流進進三羧酸循環，為檸檬酸產量進步供給了新思緒。天津科技年夜學王德培團隊通過克制尿苷/嘧啶的分解擾動細胞生長，增強糖酵解的通量從而進步了黑曲霉中檸檬酸的生產程度。此外，天津科技年夜學劉浩團隊通過強化胞質磷酸轉酮酶-磷酸轉乙酰酶途徑，增強乙酰輔酶A供應，進步了檸檬酸的發酵程度。未來，進一個步驟結合多組學信息、全基因組代謝模子及發酵過程多標準優化，系統地輿解檸檬酸發酵過程，并開發應用廉價底物的代謝途徑，無望進一個步驟下降檸檬酸的工業發酵本錢。
衣康酸是一種C5不飽和二元有機酸，廣泛應用于化工、資料及醫藥等領域，被american動力部列為最具應用遠景的生物基平臺化合物之一。今朝，衣康酸全球年產量約8萬—10萬 t，我國是最年夜生產國和出口國。但是，衣康酸分解及誘導機制尚未明確，導致菌株的代謝工程改革缺包養乏系統性的指導，從基因和酶學層面深刻解析衣康酸的高產機制，將成為工業菌株感性改革衝破的關鍵。本文作者研討團隊從衣康酸工業生產菌株出發，基于多組學信息反饋，系統優化了糖酵解、三羧酸循環、衣康酸的分解與排泄等關鍵節點，勝利將衣康酸產量從80.5 g/L進步到88.1 g/L，并且縮短了發酵周期，進步其生產的時空產率。為了擴年夜底物應用范圍，本文作者研討團隊在土曲霉中表達了黑曲霉的糖化酶，使得土曲霉能夠直接應用淀粉液化液為碳源，衣康酸產量與以葡萄糖為底物的發酵程度接近，為下降衣康酸發酵生產本錢供給了能夠性。
多不飽和脂肪酸生產菌株的感性改革
多不飽和脂肪酸（PUFA），如花生四烯酸（ARA）、二十二碳六烯酸（DHA）等，因其營養價值和獨特的心理效能遭到廣泛關注。隨著分解生物技術的發展，以平地被孢霉和裂殖壺菌為代表的產油真菌成為炊事多不飽和脂肪酸的主要來源。葉超級基于構建的基因組規模代謝模子，證實了蘋果酸酶是還原型輔酶Ⅱ（NADPH）的主要來源，結合多組學剖析篩選到了脂質分解過程中關鍵酶—脂肪酸合酶和甘油二酯酰基轉移酶，開發“推拉模塊戰略”調控前體供應，使得平地被孢霉ARA產量較出發菌株進步了5倍，達到4.4 g/L。
DHA工業生產菌株裂殖壺菌在發酵過程中存在生長不穩定、細胞活氣不高、油脂含量及質量不高、代謝難以調控等難題，中國科學院青島生物動力與過程研討所崔球團隊通過弱化競爭途徑、增添脂肪酸分解的前體、強化脂肪酸的貯存途徑等戰略，獲得了分解高純度DHA的裂殖壺菌細胞工廠，DHA含量達到331 mg/g，占總油脂的61%。南京師范年夜學黃和團隊替換了負責分解DHA的聚酮合酶（PKS）中的酰基轉移結構域，實現了DHA和二十碳五烯酸（EPA）共生產，進一個步驟激活不依賴鈷胺素的甲硫氨酸合酶，同時進步了EPA和DHA分解，產量分別為2.25 g/L和9.59 g/L。深刻清楚PUFA生物分解途徑及關鍵調控方法，探討工業菌株中多不飽和脂肪酸的碳流變化，能夠為下一個步驟代謝工程改革供給靶點。
工業絲狀真菌底盤菌株的開發及應用
工業絲狀真菌，如黑曲霉、土曲霉、青霉菌、嗜熱毀絲菌、里氏木霉等，憑借其在長期工業化生產中的出色表現，展現了強年夜的初級代謝和次級代謝產物的分解才能，同時還具備了成熟的工業發酵體系。是以，以絲狀真菌作為底盤構建的細胞工廠，不僅展現出高效分解潛力，並且在工程縮小方面技術風險相對較低，更具備傑出的規模化生產遠景。近年來，非形式絲狀真菌底盤細胞也開始遭到關注，并勝利應用于植物源自然產物、生物基化學品和效能性卵白等產品的微生物制造（圖3）。
絲狀真菌細胞工廠分解植物活性聚酮化合物
植物自然產物及其衍生物是藥物的主要來源，包含熟知的黃酮、蒽醌等活性化合物。但是，植物生長周期長、提取過程煩瑣，是以微生物分解技術的開發遭到廣泛關注。相較于年夜腸桿菌和酵母等形式底盤細胞，他汀工業生產菌株具有強年夜的聚酮分解才能，以及適合年夜規模發酵的抗逆性和非黏性菌絲形態，將其開發成高產聚酮的特點底盤細胞，應用于蒽醌和黃酮類等植物源聚酮化合物的高效分解，將具有很好的工業化優勢。
年夜黃素甲醚作為一種植物源蒽醌類生物農藥，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，傳統上重要從中藥年夜黃中提取獲得。本文作者研討團隊以產洛伐他汀工業土曲霉作為底盤細胞，通過內源途徑激活實現了蒽醌的高效分解，以及通過闡明蒽醌開環機制指導分解途徑感性改革，從而實現關鍵中間體年夜黃素的高效積累。進一個步驟采取多種戰略勝利發掘到年夜黃素-3-羥基-O-甲基轉移酶元件，并在產年夜黃素菌株中進行適配性異源重構，勝利構建了高效分解年夜黃素甲醚的土曲霉細胞工廠，在百升罐中產量達到6.3 g/L。該技術初次實現了植物源殺菌劑年夜黃素甲醚的微生物高效分解，實現生產方包養式從傳統植物提取的農業形式到現代微生物發酵工業形式的技術改革。
黃酮是一類廣泛存在于植物中的活性自然產物，在效能性食物和醫藥等領域具有主要的應用價值，是分解生物技術開發的主要目標。近年來，已經在酵母等形式微生物中實現了多種主要植物黃酮分解途徑的異源重構，依然面臨著植物途徑與微生物底盤的適配性問題，發掘微生物來源的黃酮分解途徑是解決問題的可行計劃。中國科學院微生物研討所尹文兵團隊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分解酶—聚酮合酶（NRPS-PKS），其催化機制顯著區別于植物中的Ⅲ型PKS查耳酮合酶。與此同時，本文作者研討團隊在亮白曲霉中也發現了類似的NRPS-PKS類型查耳酮合酶及完全的真菌黃酮分解基因簇，通過異源重構在米曲霉中實現了喬松素和白楊素等多種黃酮化合物的生物分解。上述發現不僅豐富了天然界中黃酮分解途徑的多樣性，也為應用真菌生產黃酮類化合物供給了新的路徑。
絲狀真菌細胞工廠分解有機酸生物基化學品
土曲霉、黑曲霉等有機酸工業生產菌株，不僅具有強年夜高效的中間碳代謝才能和有機酸排泄才能，還在工業生產過程中展現出耐酸、耐高溫等優良抗逆特徵。這些特徵使得它們能夠成為幻想的有機酸化學品高效分解底盤細胞，在開發有機酸綠色生物制造技術過程中發揮主要感化（圖4）。
反式烏頭酸是一種六碳不飽和三元羧酸，獨特的化學結構使其在生物農藥、生物基資料和食物領域具有很好的應用價值，進選了american動力部遴選的30種具有應用潛力的生物基平臺化合物清單。但是，由于缺少規模化生產途徑阻礙了反式烏頭酸的下流應用開發。本文作者研討團隊以低pH值耐受的衣康酸工業菌株為底盤，構建了產反式烏頭酸土曲霉細胞工廠，并在20 t罐中完成發酵工藝開發，樹立了國際首條反式烏頭酸的微生物綠色制造生產示范線，推動了反式烏頭酸在殺線蟲生物農藥包養中的應用。針對全球數百萬t石油基鄰苯類增塑劑因安康迫害亟待被替換而又無法替換的產業“洽商”窘境，研討團隊以反式烏頭酸為原料開發了新型生物基增塑劑反式烏頭酸酯，建成了全鏈條技術貫通的生產示范線。與市場上主流增塑劑進行周全機能對比，反式烏頭酸三丁酯等產品具有平安環保、高效增塑和長效穩定的優勢，無望在必定水平上替換傳統的石油基鄰苯類增塑劑，為衝破塑料行業的發展瓶頸供給了新的解決計劃。
黑曲霉作為檸檬酸的工業化生產菌株，憑借其優異的耐酸機能、高生產強度、平安性及對廉價碳源的高效應用等，被認為是分解三羧酸循環中有機酸的幻想工業底盤。天津科技年夜學劉浩團隊基于自立篩選的黑曲霉底盤，勝利構建了高效分解蘋果酸的黑曲霉菌株，進一個步驟通過轉運卵白鑒定與強化、還原力均衡調控、晉陞菌株抗逆性，蘋果酸的產量達到了201.1 g/L，糖酸轉化率為1.64 mol/mol，該技術已在昊禾生物科技（常州）無限公司完成了百t級發酵生產示范。通過對黑曲霉全基因組代謝模子預測，對琥珀酸分解代謝網絡進行了系統剖析，通過強化還原力供應、產物轉運，使得黑曲霉以糖蜜為原料生產琥珀酸的產量達到23 g/L，對應用非糧生物質生產有機酸進行了摸索性評估。
在非糧生物質應用方面嗜熱毀絲菌具有獨特優勢，作為一種耐高溫（45℃—50℃）的工業絲狀真菌，具備疾速降解纖維素和高產纖維素酶的才能。中國科學院天津工業生物技術研討所田朝光團隊應用嗜熱毀絲菌為底盤，通過代謝工程改革強化還原性三羧酸循環（rTCA）途徑及蘋果酸轉運，實現了應用玉米芯生物質為碳源，蘋果酸產量達到181 g/L，糖酸轉化率為0.99 g/g，開發了高溫條件下應用可再生纖維素生物質分解大批化學品的嗜熱毀絲菌細胞工廠，為多種有機酸化學品的綠色生物制造技術開發供給新的選擇計劃。
絲狀真菌底盤分解效能性卵白質的應用
絲狀真菌具有強年夜的卵白質折疊、翻譯后修飾和排泄才能，以及易于誘導及年夜規模發酵技術成熟等優勢，商業化生產了糖化酶、纖維素酶、漆酶、植酸酶、卵白酶、酯酶和葡糖氧化酶等很是主要的焦點工業酶制劑，成為酶制劑產能最年夜的一類工業微生物。今朝，工業化應用成熟工業菌株重要來源于曲霉屬、木霉屬和青霉屬，此中黑曲霉、里氏木霉、米曲霉和產黃青霉被認定為食物平安菌株，具有更廣泛的應用遠景。隨著分解生物技術的疾速發展，絲狀真菌的應用已經從傳統的工業酶制劑等卵白質產品拓展到了食物替換卵白、抗體等產品分解領域。江西富祥藥業無限公司與江南年夜學聯合開發了短柄鐮刀菌底盤發酵生產微生物卵白關鍵技術，并勝利實現了工業化生產，年產能達1 200 t。此外，americanDyadic 國際公司應用嗜熱毀絲霉開發了C1卵白質生產平臺，實現了抗體卵白人流感疫苗和新冠病毒刺突卵白疫苗的高效生產。醫藥和食物是現代生物制造的主要應用場景，這些任務展現了絲狀真菌在酶制劑之外的卵白質產品生產方面同樣具有發掘潛力。
瞻望與建議
憑借強年夜的初級代謝和次級代謝分解才能，工業絲狀真菌在分解特定類型化合物方面具有獨特優勢。更主要的是，工業絲狀真菌具有適合年夜規模生產的優異機能和成熟產業基礎，技術的工程化縮小風險相對較小，從而使得產業化落地更具可行性和靠得住性。但是，為了進一個步驟推進絲狀真菌產業的發展，需求加強使能技術開發、認識深層高產機制及探討個性問題等基礎方面的研討，同時也需求從企業、市場、政策等方面思慮進一個步驟推進絲狀真菌在生物制造中的應用。
開發絲狀真菌特點使能技術
雖然今朝CRISPR/Cas的基因編輯技術已在多種絲狀真菌中實現了應用，但是，其依然面臨篩選標記受限、編輯效力不高、存在脫靶效應及純合轉化子難分離等挑戰。研討絲狀真菌產生分歧細胞核分布類型的機制、細胞周期對基因編輯效力的影響，能夠指導包養高質量原生質體制備技術；優化Cas卵白的表達戰略，實現可控的高效效能性表達，從而在進步編輯效力的同時下降基因毒性和脫靶效應；進一個步驟優化體外核糖核卵白（RNPs）技術，進步Cas卵白、sgRNA和donorDNA的膜穿透率及細胞核精準遞送效力；除此之外，結合絲狀真菌的基因組遺傳特征，開發真菌特點的新型CRISPR系統，如Fanzor系統或CRISPR-轉座子系統，以實現更高效的多基因編輯，支撐更多代謝工程改革戰略的開發與應用。
深刻研討絲狀真菌中個性的關鍵科學問題
今朝，絲狀真菌研討重要集中在基因編輯技術開發及產物途徑解析等方面，但對于絲狀真菌個性難題的研討還不夠深刻，嚴重制約了分解生物技術的發展。工業生產中碰到的技術窘境需求從基礎科學研討中尋求衝破，包含真菌孢子發育構成機制與工業孢子批量制種難題，菌絲形態發育調控與非黏性發酵工藝，全基因組代謝模子與精準的發酵過程多標準優化。對上述關鍵科學問題的系統性摸索，能夠加深對絲狀真菌心理代謝與發育的認識，更精準地為后續菌株感性改革供給關鍵靶點，解決制種、產物靶向分解和形態把持等個性的生產技術難題。
強化非糧生物質資源的應用
非糧生物質資源的開發應用，不僅能夠有用緩解對傳統糧食資源的壓力，還能促進資源的可再生循環應用。但是，非糧生物質應用面臨著原資料難處理、糖化和發酵轉化效力低、綜分解本把持難度年夜等難題，絲狀真菌因其強年夜的生物質降解才能和抗逆性等，在非糧生物質應用中展現出宏大潛力。應用分解生物學技術重構生物質應用途徑，開發高效的非糧生物質轉化技術和處理工藝，能夠晉陞工業絲狀真菌生物質的應用效力。進一個步驟摸索非糧生物質糖化和發酵新工藝，以及生物基資料和化學品的重生產途徑，不僅能夠實現非糧生物質對傳統的發酵底物的替換，如糖和淀粉等，進一個步驟下降發酵本錢，實現降本增效，還能夠有用解決與人爭糧的問題，為國家糧食平安戰略供給無力支撐。
（作者：杜志強、門萍、張璇、黃雪年、呂雪峰，中國科學院青島生物動力與過程研討所 青島新動力山東省實驗室 山東動力研討院；周宇，中國科學院青島生物動力與過程研討所青島新動力山東省實驗室 山東動力研討院 濟南年夜學智能資料與工程研討院。《中國科學院院刊》供稿）