基于性能卓越的微生物底盘细胞进行高价值化学品的绿色生物制造，已经成为合成生物学领域的研究热点之一。近日，中国科学院微生物研究所尹文兵团队在Bioresource Technology发表了题为“Developing filamentous fungal chassis for natural product production”的综述文章。该研究系统总结了丝状真菌次级代谢产物挖掘、生物合成以及调控方面的研究进展，讨论了典型丝状真菌底盘的开发和应用，并从遗传转化方法、基因元件、代谢工程三个方面，重点论述丝状真菌底盘的构建策略，以促进丝状真菌底盘在合成生物学中的开发和应用。
天然产物是候选药物以及药物先导化合物的重要来源，但传统的天然产物生产方式及新天然产物发现的速度和数量日益无法满足社会的巨大需求。随着合成生物学技术的日渐成熟，通过在微生物底盘中重构生物合成途径，成为实现活性天然产物精准高效合成的重要手段。丝状真菌具有成熟的内含子剪切机制和翻译后修饰系统，蕴含丰富的生物合成前体和辅因子，能够产生结构多样、活性良好的次级代谢产物，是异源合成高价值活性天然产物的理想底盘之一（图1）。然而，相较于模式微生物底盘大肠杆菌和酿酒酵母，目前对于丝状真菌底盘的工程化改造和应用较为缓慢。
图1. 大肠杆菌、酿酒酵母以及丝状真菌底盘的比较
基于“设计-构建-测试-学习”合成生物学策略的理解，作者指出挖掘内源次级代谢产物、阐明生物合成途径及基因调控网络是丝状真菌底盘构建的必要条件。以广泛应用的丝状真菌模式物种构巢曲霉为例，通过基因组挖掘、转录激活、共培养等不同策略，科学家们分离鉴定了数百个次级代谢产物及其衍生物，成功解析29条生物合成途径。基于对次级代谢网络的深刻理解，利用基因去重复策略，敲除构巢曲霉主要次级代谢产物的生物合成基因簇，构建了次级代谢背景简单清晰的构巢曲霉底盘，并成功异源表达多种来源的生物合成基因，实现了不同类型天然产物的异源合成（图2）。
图2. 在构巢曲霉底盘中异源合成的代表性天然产物
其次，丝状真菌底盘的构建还需要高效稳定的遗传操作体系、适配的基因元件以及代谢工程优化。文中，作者系统整理了丝状真菌底盘构建策略（图3），首先介绍了丝状真菌DNA转化方法、同源重组工具以及CRISPR/Cas基因编辑技术，对启动子等基因调控元件的筛选及基因表达工具盒的开发展开讨论，进而通过基因去重复和代谢途径重构等策略构建和优化底盘细胞。
图3. 丝状真菌底盘的构建策略
最后，作者讨论了丝状真菌底盘在实际应用中的优势和问题，针对丝状真菌底盘开发的主要挑战提出了优化策略。
中国科学院微生物所范洁特别研究助理和魏鹏霖博士为论文共同第一作者，中国科学院微生物研究所尹文兵研究员和范洁特别研究助理为该论文的共同通信作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院前沿科学重点研究计划和中国科学院战略生物资源计划等项目的支持。
Abstract
The growing demand for green and sustainable production of high-value chemicals has driven the interest in microbial chassis. Recent advances in synthetic biology and metabolic engineering have reinforced filamentous fungi as promising chassis cells to produce bioactive natural products. Compared to the most used model organisms, Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae, most filamentous fungi are natural producers of secondary metabolites and possess an inherent pre-mRNA splicing system and abundant biosynthetic precursors. In this review, we summarize recent advances in the application of filamentous fungi as chassis cells. Emphasis is placed on strategies for developing a filamentous fungal chassis, including the establishment of mature genetic manipulation and efficient genetic tools, the catalogue of regulatory elements, and the optimization of endogenous metabolism. Furthermore, we provide an outlook on the advanced techniques for further engineering and application of filamentous fungal chassis.
作者信息
尹文兵 通信作者
中国科学院微生物研究所研究员、博士生导师、真菌学与创新技术研究室副主任，中国科学院大学岗位教授。研究方向为隐性次级代谢产物产生的分子机理，隐性生物合成基因簇的激活策略和活性次级代谢产物的合成生物学研究。主持国家重点研发计划专项子课题、国家自然科学基金和北京市自然基金等多项项目。近年来在Nat Commun、Sci Adv、Adv Sci、J Am Chem Soc、Nat Prod Rep、Sci China Life Sci、Chem Sci、PLoS Pathog、Mol Microbiol、Org Lett等国际期刊发表论文120余篇，授权专利10项。
范洁 通信作者
中国科学院微生物研究所特别研究助理。2020年于德国马尔堡大学取得药学博士学位后，入选“博士后国际交流计划引进项目”，加入中国科学院微生物研究所尹文兵课题组继续深造。主要从事丝状真菌次级代谢与合成生物学研究，研究成果先后发表于J Am Chem Soc、Angew Chem、Chem Sci、Bioresour Technol、Org Lett、Sci China Life Sci等期刊；主持国家自然科学基金青年科学基金、博士后国际交流计划引进项目、中国博士后科学基金面上资助项目和特别资助等多个项目；荣获Phoenix欧洲药学凤凰科技奖、马尔堡大学优秀博士论文、中国科学院微生物研究所2023十大科研进展等多个奖项。
供稿：范洁
设计：张佳文
审核：尹文兵 陈宏宇
