我国科学家全球首创零质粒红霉素合成“细胞工厂”

IT之家1月4日消息，中国科学院分子植物科学卓越创新中心合成生物学重点实验室、植物性状形成与塑造全国重点实验室王勇研究组取得突破，开发了一种基于可重复使用靶点的大片段DNA染色质整合新策略。该策略成功构建了全球首株能够摆脱质粒、稳定合成红霉素A的大肠杆菌工程菌株，其产量也获得了显著提升。

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这一研究成果已于2025年12月30日发表在国际学术期刊《生物资源技术》（Bioresource Technology）上。

红霉素作为一种临床上重要的广谱大环内酯类抗生素，其异源生物合成涉及复杂的代谢途径和庞大的基因簇（约55 kb）。传统研究多采用多质粒系统进行表达，但质粒的不稳定性、抗生素的使用以及细胞代谢负担过重，始终制约着生产效率的进一步提升。为解决这一难题，研究团队开发了一套基于CRISPR/Cas9的“可重复使用靶点工具包”。

该工具包针对不同长度的DNA片段采用了差异化的整合策略。

对于大于10 kb的大片段：研究采用两步整合法，利用限制性内切酶直接从质粒上切割目标大片段作为供体DNA，有效避免了长片段PCR扩增可能引入突变的风险。对于小于5 kb的片段：则采用迭代整合法，在同一靶点位置进行连续组装。

借助这项技术，研究人员将23个与红霉素合成相关的基因（总长达到56.2 kb）精准集成到大肠杆菌BAP1的染色质上，获得了工程菌株sZG9。这也是全球首个实现无质粒红霉素A生物合成的大肠杆菌菌株。

在实现染色质稳定集成后，研究团队针对红霉素合成中的前体供应瓶颈，进行了深入的代谢工程优化。

首先，强化糖单元供应：通过系统性阻断竞争途径（如删除zwf、rfbC等基因），并引入磷酸葡萄糖变位酶（PGM）的Ser45Asn突变，消除了负调控位点，显著增加了脱氧糖前体的积累。其次，增加丙酰辅酶A供应：团队识别出丙酰辅酶A合成酶（PrpE）的关键调控位点，通过Lys592Asn突变解除了其受到的负反馈调节，大幅提升了红霉素大环内酯核心结构的组装能力。

经过多轮迭代优化，最终获得的菌株sZG135的红霉素A产量达到9.80 mg/L，相比初始菌株实现了8.25倍的大幅增长，刷新了目前大肠杆菌合成红霉素A的最高产量纪录。这项研究不仅为红霉素的高效生产提供了高性能的底盘细胞，更重要的是，其所开发的大片段DNA染色质整合策略具有极强的通用性，可推广至其他复杂聚酮类、萜类等天然产物的生物合成中，为合成生物学研究提供了强有力的工具支持。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心王勇研究组的博士研究生冯占广为论文第一作者，王勇研究员为通讯作者。

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