赤霉素是重要的植物生长调节剂，具有促进植物生长、延长植物寿命和刺激植物产果能力的作用，被用作化学肥料的替代品，广泛应用于农业及下游酿造工业。预计2027年，全球赤霉素市场总规模将达99.11亿元。作为一类典型的次级代谢产物，赤霉素的工业化生产主要依靠藤仓赤霉菌（Fusarium fujikuroi）深层发酵获得。目前工业化生产菌株天然合成能力低，丝状真菌遗传改造难度大，导致现有菌株赤霉素合成发酵周期长、能耗高、效价低，严重制约了赤霉素产业的发展。

图1. 藤仓赤霉菌赤霉素生物合成的模块化设计

 近日，我校生物工程学院郑裕国院士团队柳志强教授课题组借助合成生物技术手段，从工业生产菌藤仓赤霉菌出发，通过解析赤霉素合成的关键限速步骤，借助模块化代谢改造策略，在不改变现有发酵条件下，有效提升了赤霉素发酵单位。首先，通过对赤霉素合成路线的多个限速步骤的筛选与表征，针对性地划分了前体池、特异性合成通路及P450单加氧酶三个模块。其次，通过打通模块之间的代谢障碍，实现了前体池的扩容与特异性通路的增强。此外，考虑到P450单加氧酶模块所涉及的多个加氧环节以及丝状真菌生长过程的高溶氧需求，通过引入透明颤菌血红蛋白 (Vitreoscilla hemoglobin)并强化细胞色素P450电子传递系统，显著提升了氧传递能力及菌丝生长能力，提前了赤霉素合成。在充分的氧供给与电子供给条件下，进一步挖掘并强化了P450单加氧酶系中的限速酶P450-1。最终通过多模块整合完成了赤霉素合成路线的梳理及协同强化，构建获得了一株具有高效合成能力的生产菌株，摇瓶水平达到2.89 g/L，是目前文献报道的最高水平，具有很高的工业化应用价值。

图2. 赤霉素合成代谢改造与发酵表征

相关研究成果以“Multivariate modular metabolic engineering for enhanced gibberellic acid biosynthesis in Fusarium fujikuroi”为题，发表于生物领域高水平期刊《Bioresource Technology》。我校在读博士研究生王浩南为论文第一作者，柳志强教授为论文通讯作者，研究得到了合成生物学国家重点研发计划项目和浙江省自然科学基金等项目的支持。

论文信息

Hao-Nan Wang, Xia Ke, Rui Jia, Liang-Gang Huang, Zhi-Qiang Liu* and Yu-Guo Zheng. Multivariate modular metabolic engineering for enhanced gibberellic acid biosynthesis in Fusarium fujikuroi. Bioresource Technol. 2022, 128033.

全文链接

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.128033

柳志强，教授，博士生导师，“生物催化与微生物发酵”全国高校黄大年式教师团队主要成员。长期从事生物制造领域基础研究和产业应用，在Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、ACS Synthetic Biology等相关学科知名期刊发表论文200余篇，授权中国发明专利70余件。入选浙江省“万人计划”科技创新领军人才、浙江省151人才工程第一层次、江苏省双创领军人才、浙江省“钱江人才”等计划。主持或参与了多种医药健康化学品的技术创新和产业集成，实现了研究成果的产业化应用，建成了10余条工业化生产线，近三年新增销售150亿元以上。研究成果荣获中国专利优秀奖1项、省部级科学技术奖一等奖6项、浙江省专利金奖1项。