基因组整合β-葡萄糖苷酶增强Priestia megaterium利用纤维二糖和纤维素合成聚(3-羟基丁酸)的研究

为解决纤维素生物质高效转化为生物塑料的难题，研究人员通过CRISPR-Cas技术对Priestia megaterium进行基因组编辑，敲除PHA解聚酶基因phaZ1并整合外源β-葡萄糖苷酶(Bgl)，显著提升了菌株对纤维二糖的利用效率和聚(3-羟基丁酸)(P3HB)产量。该研究为纤维素基生物塑料的工业化生产提供了新策略。

　　

在环保意识日益增强的今天，寻找可替代石油基塑料的生物降解材料成为全球研究热点。聚羟基脂肪酸酯(PHA)因其优异的生物相容性和可降解性被视为理想候选，但其高昂的生产成本主要源于葡萄糖等传统底物的使用。纤维素作为地球上最丰富的可再生资源，若能直接转化为PHA，将大幅降低生产成本。然而，现有微生物普遍缺乏同时高效降解纤维素和合成PHA的能力，这一瓶颈严重制约了纤维素基生物塑料的工业化进程。

日本的研究团队以Priestia megaterium为研究对象，针对其无法有效利用纤维素主要水解产物纤维二糖的缺陷，通过基因组工程技术开展改造。研究采用CRISPR-Cas系统敲除PHA解聚酶基因phaZ1以阻断PHA降解途径，同时整合来自Bacillus sp. GL1的β-葡萄糖苷酶(Bgl)基因，构建出能直接利用纤维二糖高产PHA的工程菌株。

关键技术方法

1. CRISPR-Cas介导的基因组编辑：构建phaZ1单敲除及双敲除菌株
2. 启动子工程：测试P_phaR、P_citz等四种内源启动子驱动BsBgl表达
3. 共培养体系：与纤维素降解菌Streptomyces sp. SirexAA-E联合培养
4. 代谢物分析：通过HPLC定量P3HB产量和底物消耗

研究结果

1. PHA解聚酶基因敲除效应
   ΔphaZ1菌株在葡萄糖培养基中P3HB积累量较野生型提高50%，证实phaZ1是影响PHA代谢的关键负调控因子。双敲除实验显示ΔphaZ1Z3组合会显著抑制菌体生长，提示phaZ3可能参与必需代谢途径。

2. β-葡萄糖苷酶表达优化
   比较不同启动子驱动的BsBgl表达发现：P_citz（柠檬酸合成酶启动子）使酶活达到最高（4.5倍于基准），但P_phaR（PHA合成相关启动子）平衡了酶活与P3HB产量，最终菌株P2的纤维二糖利用率提升1.6倍，P3HB产量达野生型3倍。

3. 共培养系统验证
   工程菌P2与Streptomyces sp. SirexAA-E共培养时，每克羧甲基纤维素可产76 mg P3HB，较野生型组合提高4.3倍，首次实现纤维素直接到PHA的"一锅法"转化。

研究意义
该研究通过精准的基因组编辑和代谢通路优化，成功打通了从纤维素到PHA的生物制造路径。特别值得注意的是：

1. 发现P_phaR启动子能协调纤维二糖利用与PHA合成的平衡，为类似工程提供参考；
2. 建立的共培养体系避免传统分步糖化发酵的复杂流程，使生产成本降低约35%（据作者估算）；
3. 为其他非模式菌株的CRISPR-Cas系统应用提供技术模板。

这项工作被发表于《Bioresource Technology》，标志着纤维素基生物塑料生产从概念验证迈向工业化应用的关键一步。未来通过进一步优化菌株耐受性和规模化工艺，有望实现万吨级PHA的绿色制造。