利用合成生物学技术赋能食品发酵行业，实现高效生物制造，助推新型农业产业革命丨专访江南大学生物工程学院院长许正宏

作为世界上生物发酵规模最大的国家，我国的大宗发酵产品年产量近 3000 万吨。

“对于发酵行业而言，要提高抗生素、甾体激素、维生素、氨基酸等发酵产品的生物制造水平，提升菌种性能是其中最为核心与灵魂的问题。” 江南大学生物工程学院许正宏院长表示。

高性能菌种可以实现更高的转化率、产量和生产强度，从而让国内相关企业能够在激烈的产业竞争中占据主动地位。然而，传统方法是通过诱变育种等来改善菌种性能，但这些方法的生产效率较低，且具有很大的盲目性。

合成生物学融合生物学、工程学、物理学、化学及计算机等诸多学科的长处，通过对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成，为很多传统行业注入了全新的生命力。那么，这种技术将为发酵行业带来哪些影响呢？始终以关注 “人民健康” 为愿景的江南大学生物工程学院在这一领域进行了什么样的布局呢？取得了哪些研究进展呢？

带着这些问题，生辉 SynBio 对江南大学生物工程学院的许正宏院长进行了独家采访。

图丨许正宏（来源：受访者）

许正宏本科就读于无锡轻工业学院的发酵工程系发酵工程专业，毕业后于 1993 前往山东大学生命科学学院攻读硕士学位，专业为细胞生物学，2001 年开始在江南大学生物工程学院发酵工程专业攻读博士学位。目前担任江南大学生物工程学院教授、博导，长期从事传统酿造食品微生物生态学、营养化学品的生物制造与功能评价等领域的研究。

解读白酒泥窖池中的微生物 “密码”

“随着基因工程技术的兴起，我们开始采用合成生物学技术来对现有的工业菌种进行理性设计与改造，大幅度提高了菌种生产性能，甚至从头重构工业菌株，实现原来难以通过生物发酵生产产品的规模化绿色生物制造，并拥有完全自主的知识产权，从而助推我国从发酵大国向发酵强国的转变。” 许正宏表示。

据介绍，许正宏课题组的研究主要集中在工业微生物的功能解析与应用方面。主要方向包括一些与日常生活息息相关的高值或功能性化学品的生物制造与功能评价，比如甾体、氨基酸、维生素等的菌种选育与代谢改造；另一方面则重在对多种微生物加工系统的研究，主要是在微生物群落水平上对我国传统酿造微生物功能解析及人工合成微生物组的构建的基础研究与实际应用。

经过长达数十年的深耕，许正宏带领团队在发酵行业取得了不少重要研究成果，今年 8 月，其团队在 Applied and Environmental Microbiology 发表封面文章 “Mining the Factors Driving the Evolution of the Pit Mud Microbiome under the Impact of Long-Term Production of Strong-Flavor Baijiu”。

在白酒界流传着一句老话，“千年老窖万年糟，酒好全凭窖龄老”，可以说，是泥窖池为浓香型白酒的发酵创造了独特的微环境，近年来的研究和长期的实践经验也共同表明栖息于窖泥中的微生物在浓香型白酒独特风味形成中发挥着至关重要的作用。

那么，在人类数百年酿酒生产影响下，窖泥微生物群落发生着怎样的变化？这种变化的驱动因素是什么？它又会对白酒品质产生怎样的影响？

许正宏团队发表的这篇文章对此展开研究，对比了不同窖龄窖泥微生物群和微生物主要代谢产物的差异，推断了窖泥微生物群落的主要功能种群，并探讨了窖泥微生物群落演化的选择压力。他们详细阐释了在几十年甚至几百年的连续酿酒活动的影响下，窖泥微生物群落呈现出规律性和方向性的变化，初步揭示了窖泥微生物群落定向演化的影响因素，并为促进功能微生物的富集及人工菌群的构建提供了依据。

图 | 来自不同酒窖（30 年、100 年和 300 年）的窖壁 / 底泥样品的物理化学性质。（A） 水分含量、pH 值和四种主要有机酸的含量，包括乳酸、己酸、乙酸和丁酸。（B） 基于矿窖泥浆微生物挥发性代谢物的 Bray Curtis 和 Jaccard 距离的约束主坐标分析（CPCoA）。（来源：Applied and Environmental Microbiology）

具体来说，该团队基于不同年龄（~30/100/300 年）酒窖样品微生物群落结构和代谢物的变化规律，进一步研究了乳酸和醋酸（发酵谷物中的主要微生物代谢产物）对窖泥微生物组的调节作用。

图 | 通过定量 PCR 分析窖泥中细菌、古细菌和真菌的生物量分布（来源：Applied and Environmental Microbiology）

结果显示，酯类（50.3% 至 64.5%）在窖泥中鉴定出的挥发性化合物占主导地位，四种典型酸（乳酸盐、己酸盐、乙酸盐和丁酸盐）的含量随着酒窖年龄的增加而增加。在窖泥微生物群中，以细菌和古菌为主，梭菌（39.7% 至 81.2%）和甲烷微生物（32.8% 至 92.9%）是其中最重要的细菌。随着酒窖的年限上升，产己酸菌属 Caproiciproducens 和甲烷八叠球菌属 Methanosarcina 的相对和绝对丰度都出现了明显的上升趋势。

图 | 不同年龄窖泥原核生物群落丰富属的分布（来源：Applied and Environmental Microbiology）

相关性分析揭示了两个属和主要代谢物之间的显着（P < 0.05）正相关。以乙酸盐和乳酸盐为碳源的厌氧发酵有利于增强梭菌的富集，此外，与初始窖泥（0.22%）相比，乳酸菌分批补料发酵 15 天后 Caproiciproducens 的相对丰度显著增加到 40.9%。这项工作提出了窖泥微生物群落的定向进化模式，并提供了一种加速功能微生物富集的替代方法。

利用合成生物学手段改造多种微生物菌种，大幅提升发酵效率

同样是在 2021 年，许正宏团队在 ACS Synthetic Biology 上发表文章，对 RBS (Ribosome Binding Site) 元件化改造及其与启动子联合调控复杂基因簇的研究进行了报道，该篇论文的第一作者为许正宏教授的博士生段艳婷。

RNA 聚合酶和启动子以及核糖体和 RBS 之间的相互作用是转录和翻译的限速步骤，启动子和 RBS 被常用于调控基因表达，但是，RBS 易与上下游基因形成二级或三级结构，影响核糖体的识别，造成翻译强度可预测性差。因此，提高 RBS 与上下游基因的正交性及其元件化程度是应用 RBS 进行靶基因高效精准调控的关键。此外，基因表达受到多元件的协同调控，然而目前启动子和 RBS 的联合调控效果以及各自贡献的调控作用尚缺少定量研究。

这项研究以常用于工业生产的谷氨酸棒杆菌 (C. glutamicum) 为底盘细胞，围绕提高 RBS 的正交性以及分析启动子和 RBS 的组合调控效应进行研究。他们首先改进了前期研究针对大肠杆菌开发的双顺反子改造方法，对谷氨酸棒杆菌适配的 RBS 进行了元件化改造，分析了改造前后与启动子联合调控的组合效应，并针对精氨酸合成途径的 arg 基因簇进行多调控位点的改造。可以说，这一研究在一定程度上弥补了该领域的研究缺口。

许正宏教授谈及，合成生物学技术不断更新换代，为发酵行业带来了更多全新的解决方案。

以甾体激素为例，这种产量仅次于抗生素之后的世界第二大类药物，在全球的总产值超过 100 亿美元。长期以来，甾体激素化合物的生产制造主要以化学合成为主、生物转化为辅，但化学合成方法具有很大的环境压力。

许正宏教授介绍到我国学者基于合成生物学的原理和技术，重新设计和改造微生物菌种，初步打通了以糖质原料直接生物合成甾体的工艺路径，最终成功构建出的酿酒酵母人工细胞生物转化合成氢化可的松的已达到克级水平。国外学者利用合成生物学技术实现了 1，3 - 丙二醇的生物制造，与石油路线相比，这种技术可实现 CO₂ 减排 63%，使原料成本下降 37%，能耗减少 30%，成功创造了一个化纤原料摆脱石油价格体系的范例。

此外，许正宏团队还成功创制了新一代丝氨酸生产菌株，一举打破了现有的转化率瓶颈。

“2007 年至今，我们团队已经在丝氨酸领域做了 14 个年头，最开始我们是在土壤中筛选到了一种谷氨酸棒杆菌，它可以利用糖质原料积累少量的丝氨酸。然后我们采用合成生物学的一些技术手段对这个菌株进行了系统改造。经过十几年时间的不断优化，目前丝氨酸产量达到 40 g/L 以上，糖酸转化率超过 40%，是目前报道的世界同领域的最高水平，因此一些企业也对我们的研究表示很感兴趣。现阶段我们正在进行中试，将可能成为首个以糖作为原料，并利用微生物发酵法来生产丝氨酸并将其产业化的团队。”许正宏团队科研人员介绍道。

合成生物学将为未来食品带来什么？

许正宏坦言，他们之所以能够充分利用合成生物学取得系列科研成果，离不开江南大学在发酵行业的深厚基础。据悉，江南大学生物工程学院为中国发酵工程学科的诞生地，创建了我国第一个发酵工程国家重点学科及本硕博人才培养体系，是我国工业生物技术领域，特别是发酵工程学科中最具品牌影响力和竞争力的高等教育基地之一。

以发酵工程为核心的 “轻工技术与工程” 以及学科在历次教育部学科评比中位居全国前列，并于 2017 年入选我国 “双一流” 建设学科。学院愿景是面向生命科学前沿，立足生物工程产业，建设国际一流学科及人才培养高地。持续保持发酵工程领先地位，引领轻工技术与工程、生物工程学科发展。

谈及合成生物学对未来食品发展的影响，以及在国家粮食安全中可能扮演的角色，许正宏表示，未来食品是以解决全球食物供给、资源环境、质量安全、营养健康、饮食方式和精神享受等问题，它是利用合成生物学、脑科学、物联网、人工智能等颠覆性前沿技术，加工制造更健康、更安全、更营养、更美味的食品。目前，我校陈坚院士团队等科研团队在开展相关研究工作。

现在的大趋势是，世界各国都十分重视未来食品的研发与产业化。食品与生物的结合，尤其是合成生物学的兴起，为未来食品产业化提供了重要保障，比如在人造肉、蛋、奶等未来食品定制化生产方面已经取得了一系列突破，并开始逐步实现商业化，成为现有传统农业与食品行业的有效补充和替代。

细胞培养肉是通过体外培养动物细胞的方式生产的肉类食品，其生产过程无需畜禽饲养和宰杀，将为全球肉类生产和消费带来颠覆性变革；或者采用合成生物学方法可以构建一大批重要的食品配料的生产菌株并实现高效生物制造，助推 “农业工业化” 的现代化改造与新型农业产业的革命。

写在最后：

许正宏院长被邀请为合成生物学竞赛（以下简称 “竞赛”）的评委，竞赛汇聚顶级联合发起方，推倒产业与学术之间的 “高墙”，旨在集结代表现在和未来的才智，打造中国合成生物顶级竞赛和创新孵化平台。

谈及本次竞赛，他给予了高度评价并表示：“习总书记曾在两院院士大会上强调，合成生物学、基因编辑、脑科学、再生医学等为代表的生命科学领域孕育新的变革。要以关键共性技术、前沿引领技术、现代工程技术、颠覆性技术创新为突破口，敢于走前人没走过的路，努力实现关键核心技术自主可控，把创新主动权、发展主动权牢牢掌握在自己手中。” 目前， 世界主要大国和发达国家纷纷制定新的生物技术战略，力图在未来生物经济竞争中占据有利地位，而合成生物学已经成为各国明确争抢的科技高地。

“竞赛的开展有利于推动我国合成生物学的发展，激发在校学生的学习兴趣和热情，培养同学们的创新意识和团队协作意识等等。”

“期待将来有一大批构思大胆的创新项目顺利落地，真正帮助解决国计民生问题。”

参考资料：

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8357292/

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