综述：工程化微生物细胞工厂用于琥珀酸生物制造：挑战与前景

《Biotechnology Advances》：Engineering microbial cell factories for succinic acid biomanufacturing: Challenges and perspectives

微生物合成丁二酸的技术进展与系统集成战略

　　

白玲玲|李娜|杨静茹|张洋洋|李秉志|刘志华

中国天津大学合成生物学国家重点实验室

摘要

琥珀酸是一种从可再生底物中提取的关键平台化学品，代表了替代石化生产的可持续选择。微生物生物合成作为一种基于生物的琥珀酸生产方法，通过利用可再生底物实现了范式的转变。本文系统评估了包括某些细菌和酵母在内的微生物平台，比较了它们的生理特性、代谢能力以及适用于工业琥珀酸生产的潜力。后续部分讨论了根据宿主特异性特征合理设计天然和异源生物合成途径、利用先进合成生物学工具提升底盘性能和途径兼容性，以及创新下游分离技术以改善工艺经济性的方法。最后，本文强调了系统生物学、代谢建模和过程工程的整合应用，以解决碳流优化、氧化还原平衡和工业规模扩大的持续挑战。通过提供关于菌株开发和生物过程整合的多学科视角，本文为高效微生物细胞工厂的设计和基于生物的琥珀酸的商业化加速提供了战略框架。

引言

琥珀酸是三羧酸（TCA）循环中的关键C4-二羧酸代谢中间体（Kim等人，2023a）。美国能源部将其列为十二种顶级基于生物的平台化学品之一，琥珀酸作为一种多功能的基础平台化学品，可用于生产多种高价值衍生物（Gérardy等人，2020）。在工业上，它被用于生产1,4-丁二醇（BDO）、四氢呋喃（THF）和γ-丁内酯（GBL）等关键化合物，并且对于合成可生物降解聚合物（如聚（丁酸丁烯酯）（PBS）至关重要——这种材料在全球法规和碳中和目标的推动下在可持续塑料领域变得越来越重要（Barletta等人，2022）。预计到2030年，全球琥珀酸市场将从2.23亿美元增长到约9亿美元，凸显了其日益重要的工业地位（Kumar等人，2024）。传统上，工业琥珀酸生产主要依赖于石化路线，主要是通过马来酸酐的催化氢化（Mitrea等人，2024）。尽管这种方法效率较高，但它本质上不可持续，因为依赖于不可再生的化石燃料并且能耗巨大（Fu等人，2014）。

微生物生物合成通过使用木质纤维素生物质等可再生底物并在温和的酶促条件下进行，提供了一种可持续制造的替代方案（Liu等人，2024b；Kim等人，2023b）。微生物可以直接将二氧化碳（CO₂）通过还原性TCA途径转化为琥珀酸分子，从而有效地将温室气体转化为有价值的产品。这一过程的优化直接促进了几个关键的生物经济指标。它最大化了非食品生物质的利用，减少了对食品供应链的竞争，并提高了资源循环效率。此外，与化学过程相比，微生物发酵通常在更温和的条件下进行，从而显著降低了工艺能耗和净温室气体排放。

开发高效的微生物细胞工厂是充分发挥基于生物的琥珀酸生产潜力的关键。为了克服内在的生理限制并最大化碳流向产品形成的转化，代谢工程策略越来越多地得到先进合成生物学工具的支持（Liu等人，2024a）。这些方法包括动态途径调控以协调细胞生长与生产需求、酶工程以缓解代谢瓶颈并提高催化效率，以及定向进化以增强菌株在工业相关条件下的鲁棒性和耐受性（Liu等人，2022；Wichmann等人，2023）。尽管在实验室规模上取得了显著进展，但将这些进展转化为经济可行的工业生物制造仍然具有挑战性。在高性能底盘菌株的构建和从复杂底物中高效分离琥珀酸的下游发酵方面仍存在瓶颈。

本文提出了一个全面的琥珀酸生物制造框架，通过多学科的融合整合了菌株工程、途径设计和过程优化。基于碳经济原则系统评估了微生物底盘，分析了它们的生理和代谢特性，以指导合理的菌株构建。讨论进一步综合了合成生物学的最新进展，这些进展共同提升了微生物在工业条件下的性能。此外，还提出了一种集成的生产系统，该系统协调了原料选择、发酵策略和下游分离（图1）。通过结合代谢工程、系统生物学和过程系统工程，这项工作提出了一个可扩展且经济可行的生物制造平台，旨在加速基于生物的琥珀酸的工业应用。

章节摘录

琥珀酸生产的底盘菌株和关键途径

菌株选择对底物兼容性、发酵效率、下游处理要求和总体生产成本具有重要影响。生产琥珀酸的微生物大致可以分为三类：天然生产者、工程改造的原核生物和真核生物。目前，琥珀酸通过三种主要代谢途径进行生物合成，包括氧化性TCA循环、还原性TCA循环和乙醛酸旁路（图2）。

用于琥珀酸生物合成的微生物细胞工厂

合成生物学的进步推动了高效琥珀酸微生物细胞工厂的发展。宿主特定的代谢和生理特性决定了定制的工程策略，使得多种微生物平台成为可行的可持续琥珀酸生产者。

促进琥珀酸生物合成的新兴合成生物学和代谢调控策略

新兴的合成生物学工具促进了琥珀酸生物合成微生物细胞工厂的构建。通过将测序数据与代谢建模和多组学相结合，可以合理重新设计琥珀酸的生物合成途径。CRISPR系统和人工智能（AI）引导的酶特异性工程能够精确设计酶的功能，克服代谢瓶颈，实现前所未有的效率

琥珀酸生产的发酵工程

琥珀酸的工业规模生物制造的成功远远超出了实验室菌株工程的范畴，需要优化传统的发酵过程。这取决于碳底物的选择，如木质纤维素水解物和C1化合物，这些因素决定了经济可行性和环境影响。实现高滴度、高产量和高生产力还依赖于先进的发酵策略和精确的过程控制。

结论与展望

基于生物的琥珀酸的经济竞争力仍然是阻碍其大规模工业应用的主要瓶颈。尽管在菌株构建和发酵过程方面取得了显著进展，但在扩大生产规模方面仍存在重大障碍。首先，核心挑战在于细胞的鲁棒性和耐受性。无论是细菌系统还是酵母系统，细胞生长与产物合成之间的固有权衡仍然是实现高效率的主要瓶颈

未引用的参考文献

Chen等人，2024

Jiang等人，2015

Jiang等人，2025

Kim等人，2007

Li等人，2025

Otero等人，2013

Pan等人，2024

Sandberg等人，2019

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3403500）的支持。