综述：最近在平衡枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）生长与生产之间的权衡方面取得的进展：从系统性资源重新配置的角度出发

《Biotechnology Advances》：Recent advances in balancing the growth-production trade-off in Bacillus subtilis: A systematic resource reallocation perspective

本文系统分析枯草芽孢杆菌作为工业底盘的资源分配优化，提出整合合成生物学工具箱、机制解析、工程策略及工业应用的框架，突破生长与生产的代谢平衡难题，为高绩效菌株设计奠定基础。

　　

王玉珏|王强|陈江华|饶志明|张贤

中国江苏省无锡市江南大学生物技术学院，教育部工业生物技术重点实验室，邮编214122

摘要

作为优秀的工业底盘，枯草芽孢杆菌在促进高价值生物产品的高效和可持续制造中发挥着关键作用。然而，生长与生产之间的内在资源权衡仍然是生物合成效率的一大障碍。因此，从细胞资源分配的角度出发，本文通过一个全面的框架提供了综合分析，涵盖了合成工具包、机制、工程策略和工业应用。我们分析了资源分配的基本限制，重点关注由异源合成驱动的蛋白质组分配竞争以及由代谢负担引发的全球生理反馈响应。为了解决资源限制问题，本文讨论了增强菌株稳健性和代谢能力的基本工程模块，以及系统层面的合理资源分配策略。最后，通过展示多种工业应用，本文为克服代谢权衡提供了深刻的见解，并为高性能枯草芽孢杆菌细胞工厂的合理设计奠定了基础。

引言

随着全球向可持续生物制造的转变，微生物细胞工厂在现代工业生物技术中变得至关重要。其核心目标是构建既高效又资源节约且稳健的底盘细胞（Calero和Nikel，2019；Liu等人，2020）。虽然大肠杆菌、谷氨酸棒状杆菌和酿酒酵母等模式生物已成为成熟的生物制造平台，但枯草芽孢杆菌作为蛋白质生产的首选宿主脱颖而出（Hwang等人，2023；Kim等人，2025）。作为一种革兰氏阳性模式细菌，枯草芽孢杆菌具有以下内在优势：（i）能够在成本效益高的碳源上快速生长（Liu和Yu，2025）；（ii）具有较高的细胞外蛋白质分泌能力，大大简化了下游纯化过程（van Dijl和Hecker，2013）；（iii）具有GRAS（公认安全） status且无内毒素；（iv）具有由成熟工具箱支持的高遗传可塑性（Wu等人，2020）。因此，枯草芽孢杆菌已被广泛用于生产从工业酶到药物蛋白等各种高价值生物制品（Gao等人，2025a，Gao等人，2025b；Jiang等人，2025）。

然而，利用这些特性进行高水平生产不可避免地会消耗宿主的有限资源，加剧了细胞生长与目标生物合成之间的基本权衡。这一挑战还受到如CodY和Spo0A等调控因子所控制的进化适应网络的影响。代谢负担会人为耗尽细胞内GTP，从而过早触发CodY介导的饥饿响应（Mu等人，2025）。同时，Spo0A驱动的生存程序（孢子形成和生物膜形成）会强行占用大量碳流和ATP来合成不必要的结构蛋白（Zhu等人，2023）。传统的静态过表达策略加剧了这种固有的资源错配，导致严重的代谢失衡和早期生长迟缓，最终限制了产品产量（Frei等人，2020；Wu等人，2016）。因此，从“强制过表达”转向“合理资源分配”已成为底盘工程中的一个关键范式转变。

为了解决这些挑战，本文提出了一个系统的资源优化框架，旨在从全局角度重构枯草芽孢杆菌细胞工厂，而不仅仅是简单地组装遗传工具（图1）。我们回顾了先进的合成生物学工具包，包括CRISPRi和碱基编辑技术，这些技术能够实现高精度、低负担的基因组修饰。随后，我们深入分析了内在资源限制，特别是由异源合成引发的蛋白质组能力竞争以及破坏能量代谢稳态的CodY/Spo0A介导的反馈。基于这些机制见解，我们构建了一种分层响应策略：（i）通过伴侣蛋白工程和基因组优化等基础模块增强宿主的代谢能力和稳健性；（ii）通过动态调节和过程耦合等系统层面策略实现协同资源分配。特别强调了基于模型定量预测资源分配的合理逻辑。最后，通过总结多种应用场景，本文展示了开发高性能枯草芽孢杆菌细胞工厂的重要性和实际潜力。

该框架整合了四个相互关联的模块：（1）合成工具包，包括先进的基因组编辑和可编程遗传组件；（2）机制洞察，通过蛋白质组分配和生物能量限制分析资源约束；（3）工程策略，从基础模块增强到系统层面的动态调节和放大；（4）多样化应用，在生物催化、生物医学和农业领域实施资源优化的底盘。

章节摘录

用于优化细胞资源分配的合成工具包

细胞资源（ATP、核糖体和前体）的合理重新分配需要精确的基因干预。传统工程通常依赖于粗略的过表达或基因敲除。然而，现代底盘设计需要一套复杂的工具包来微调基因表达，同时尽量减少代谢负担。本节总结了能够在枯草芽孢杆菌中实现这种“经济”调节的遗传工具（表1）和合成部件（表2）。

蛋白质组分配和全球资源限制

经典的细菌生长规律表明，细胞蛋白质组构成了一种有限的资源池（Liu等人，2025a）。在枯草芽孢杆菌中，这一资源池在四个主要领域之间进行竞争性分配：核糖体（R）、代谢（M）、生产（P）和独特的生存领域（S）（Zhu和Dai，2024）。S领域（生存领域）包括孢子形成和生物膜组装的途径，在指数生长期间占据了约6.2%的枯草芽孢杆菌蛋白质组（Zhu等人，2023）。

缓解生产资源限制的策略

工业规模的蛋白质生产很少受到单一遗传瓶颈的限制，而是受到细胞资源系统性管理不善的影响。因此，可持续的底盘工程必须超越局部优化，转向全面的资源管理。本节的框架包括两个层次：首先是旨在增强宿主生理稳健性和代谢能力的基础工程模块；其次是系统层面的合理调节策略

枯草芽孢杆菌在生物制造中的多样化应用

作为一种安全、多功能且高度可工程的微生物底盘，枯草芽孢杆菌在许多领域中成为关键的微生物（图5）。第3节详细介绍了构建高性能枯草芽孢杆菌底盘的基本工具包。这些内容总结了如何利用这些枯草芽孢杆菌底盘应对不同领域的挑战，并展示了如何应用合成生物学原理

结论与展望

随着生物制造在工业酶、可持续燃料和先进材料领域的应用不断扩大，底盘工程的目标已经从单纯的“产品合成”发展为构建“高效、可控和可扩展”的系统。然而，自然的代谢网络在高强度异源合成的负担下常常会失效，导致细胞生长与生产之间的内在冲突。

作者贡献声明

王玉珏：撰写-原始草稿，撰写-审稿和编辑，研究；王强、陈江华：监督，可视化；饶志明、张贤：资金获取，项目管理。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（编号32571709）、江苏省前沿技术研发计划（BF2024012）、江南大学食品科学与资源国家重点实验室研究计划（编号SKLF-ZZB-202512）、江苏省高等教育机构优先学术发展计划资助的项目，以及江苏省高等教育机构顶尖学术计划项目的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。