形态工程改造链霉菌底盘菌株缓解菌丝聚集以增强次级代谢产物合成

为解决链霉菌在深层发酵中菌丝聚集影响次级代谢产物生产效率的问题，研究人员通过靶向调控matAB、cslA/glxA等形态相关基因，构建了8株工程菌株（MECS01-08）。研究发现基因改造显著降低了菌丝聚集程度，其中MECS01/03/05对放线紫红素（ACT）、星形孢菌素（spc）和类胡萝卜素（crt）的产量提升尤为显著（最高达1.7倍）。该研究为链霉菌工业底盘优化提供了新策略，发表于《Synthetic and Systems Biotechnology》。

　　

在微生物制药领域，链霉菌（Streptomyces）因其强大的次级代谢能力被誉为"天然药厂"。然而这些 filamentous bacteria（丝状细菌）在工业发酵中存在一个致命弱点——菌丝会纠缠成团，形成致密的菌丝球（mycelial pellets）。这些"毛线团"不仅阻碍营养吸收和氧气传递，还会抑制代谢产物的分泌，严重影响抗生素、抗肿瘤药物等高值化合物的生产效率。传统解决方案依赖添加分散剂或调整培养参数，但效果有限且成本高昂。如何从遗传本质上破解这一难题，成为合成生物学和代谢工程领域的重要挑战。

中国科研团队选择模式菌株天蓝色链霉菌（S. coelicolor）M1146作为研究对象，这是一株经过基因组精简的经典底盘菌株。研究人员聚焦四个关键形态调控基因：编码胞外多糖PNAG合成酶的matAB、负责纤维素样聚合物合成的cslA/glxA、促进隔膜形成的ssgA和细胞分裂蛋白ftsZ。通过CRISPR/Cas9基因编辑技术，构建了8种基因组合的工程菌株（MECS01-08），包括单基因缺失、多基因缺失以及基因过表达组合。研究采用光学显微镜和扫描电镜观察菌丝形态，通过HPLC和光谱分析定量代谢产物，并利用λ-Red重组技术优化了星形孢菌素和类胡萝卜素基因簇的表达系统。

3.1 底盘菌株构建
研究首先通过CRISPR/Cas9技术精准编辑形态相关基因，获得8株工程菌。其中MECS01（ΔmatAB）和MECS02（ΔcslA/glxA）分别破坏了两类胞外聚合物合成途径；MECS03（ΔmatAB-ssgA^OE
）和MECS04（ΔcslA/glxA-ftsZ^OE
）则结合了基因缺失与过表达策略；MECS05-08则涉及多基因组合编辑。PCR验证确认所有菌株基因型正确。

3.2 液态培养形态分析
在含34%蔗糖的YEME培养基中，工程菌株展现出显著差异：MECS01菌丝长度（5.87±2.95 μm）比野生型（4.33±1.82 μm）更长，而MECS02（1.03±0.37 μm）更短。菌球直径测定显示，MECS01（9.67±3.51 μm）和MECS02（1.21±0.52 μm）均显著小于野生型（29.02±6.34 μm）。在无蔗糖培养基和TSB培养基中，工程菌株同样表现出更分散的菌丝形态。

3.3 固态培养特征
在MM、AS-1和R2YE平板上，工程菌株呈现独特表型：MECS01形成持久白色菌苔，而MECS08在AS-1平板上产生明显皱褶。电镜观察显示工程菌株菌丝分支更稀疏，特别是MECS03/05/08在R2YE培养基中菌丝网络连接度降低。

3.4 放线紫红素产量提升
引入act基因簇后，所有工程菌株产量均高于野生型，其中MECS05在120小时产量最高，MECS03和MECS01次之。这表明同时缺失matAB和cslA/glxA能产生协同效应。

3.5 星形孢菌素异源生产
将hrdB启动子驱动的spc基因簇导入菌株后，MECS05-spc产量达野生型的1.7倍，MECS01-spc和MECS03-spc均为1.5倍。这验证了形态改造对复杂生物碱合成的普适性促进作用。

3.6 类胡萝卜素产量优化
通过多片段组装构建hrdB-crt工程基因簇，在M79培养基中MECS05-crt产量最高，其发酵液呈现更深的黄色，光谱分析显示370-500 nm吸光度显著增强。

这项研究系统证明了形态工程在链霉菌代谢工程中的双重价值：既解决了工业发酵中的菌丝聚集难题，又为次级代谢产物增产提供了新思路。特别值得注意的是，matAB和cslA/glxA的双缺失菌株（MECS05）在三种不同代谢途径中均表现最优，暗示两类胞外聚合物在菌丝聚集中存在功能互补。研究还揭示了形态改造与代谢调控的潜在关联——分散的菌丝结构可能通过增大比表面积促进营养摄取，同时加速产物外排以减轻反馈抑制。

该成果的突出意义在于：首次建立了一套可编程的链霉菌形态改造方案，突破了传统发酵工艺优化的局限性；开发的MECS系列底盘为异源生物合成提供了更高效的平台；提出的"形态-代谢偶联"理论为后续研究指明方向。未来研究可进一步探索形态基因与次级代谢调控网络的交叉作用，并将该策略拓展至工业菌株改造。这些进展将有力推动微生物制药产业的升级发展。