《Synthetic and Systems Biotechnology》：A synergistic strategy of metabolic engineering and flocculation recycling for enhanced acetoin production in
Zymomonas mobilis
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本研究针对传统乙酰丁醇合成能耗高、微生物法存在代谢瓶颈等问题，通过代谢工程（构建DMCI底盘、敲除bdh基因、过表达noxE）、转录组学指导的竞争途径消除（ZMO0318/ZMO1576）以及自絮凝表型工程（ZMO1082修饰）的协同策略，使运动发酵单胞菌乙酰丁醇产量达到73 g/L（提高8.3倍），并实现木质纤维素水解液高效转化和多批次细胞回收，为经济高效的生物化学生产提供了新范式。
在追求绿色可持续生产的今天，乙酰丁醇（acetoin）作为一种重要的平台化学品，其传统石油化工合成路线正面临高能耗、高污染的严峻挑战。虽然微生物发酵法为绿色生产带来了曙光，但现有技术仍存在碳通量分配不足、细胞回收成本高、非粮原料利用率低等瓶颈问题。运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis）凭借其独特的Entner-Doudoroff途径和高效糖利用能力，成为极具潜力的微生物细胞工厂，然而其天然的乙醇合成优势却阻碍了乙酰丁醇的高效积累。
为了突破这些限制，湖北大学的研究团队在《Synthetic and Systems Biotechnology》上发表了一项创新性研究，他们巧妙地将代谢工程、系统生物学和过程工程相结合，开发了一种协同策略来显著提升乙酰丁醇的产量。该研究不仅构建了高效的微生物细胞工厂，还实现了工艺过程的创新，为生物制造领域的可持续发展提供了新思路。
研究人员主要运用了以下几项关键技术：基于CRISPR-Cas系统的基因组编辑技术用于构建基因敲除和修饰菌株；转录组学（RNA-seq）分析用于揭示代谢瓶颈和应激响应；生物反应器发酵工艺优化（包括溶解氧控制和平板培养技术）；自絮凝表型工程通过ZMO1082基因编辑实现；以及木质纤维素水解液耐受性评估。
3.1 乙酰丁醇生产底盘的发展与优化
研究首先评估了Z. mobilis对乙酰丁醇的耐受性，发现60 g/L为临界抑制浓度。通过利用前期构建的优势代谢受损中间体（DMCI）底盘ZMB3，研究人员系统评估了溶解氧（DO）对代谢通量的影响，发现高DO水平通过调节NADH/NAD+比率显著促进乙酰丁醇合成。引入NADH氧化酶NoxE进一步优化氧化还原平衡，使乙酰丁醇产量提升至30.78 g/L。敲除丁二醇脱氢酶基因bdh有效阻断了乙酰丁醇向2,3-丁二醇的转化，在180 g/L葡萄糖条件下产量达66 g/L。
3.2 通过转录组学解读应激反应并靶向潜在瓶颈
转录组分析揭示了高葡萄糖应激下细胞出现"代谢耗竭"状态，资源向底物快速处理倾斜而牺牲细胞维护功能。bdh敲除引发氧化还原失衡，上调了ZMO0318和ZMO1576等同源基因表达。通过靶向敲除这些潜在竞争性途径，双敲除株ZMA7的乙酰丁醇产量进一步提高17%，证实了转录组学指导代谢工程的有效性。
3.3 放大发酵与非粮原料利用
在1-L生物反应器中进行补料分批发酵，ZMA7菌株的乙酰丁醇产量达到73 g/L，为文献报道最高值的8.3倍。在含抑制物的玉米芯残渣水解液中，该菌株仍能保持42 g/L的产量，展示出良好的工业应用潜力。
3.4 自絮凝技术在乙酰丁醇发酵中的应用
通过工程化ZMO1082基因引入自絮凝表型，沉降速率提高24倍。在连续六批发酵中，细胞回收率保持在84-89%，乙酰丁醇产量稳定，证明了该策略在降低下游处理成本方面的优势。
研究通过多学科方法成功构建了高性能的乙酰丁醇生产系统。DMCI底盘与氧化还原工程协同克服了代谢刚性，转录组学指导消除了非经典竞争途径，自絮凝技术实现了过程强化。该研究不仅展示了Z. mobilis作为微生物细胞工厂的巨大潜力，更重要的是提供了一种将先进代谢工程与实用工艺创新相结合的框架，为生物基化学品的可持续生产提供了新范式。未来研究可进一步整合动态代谢通量分析和应激耐受性工程，以突破产品抑制限制，延长生产稳定性。
