抗生素在农业生物防治中发挥重要作用，但抗生素的大量使用可能会带来环境污染，其残留还可能会对人类健康造成潜在风险。
丰原素（Fengycin）是一种常用于农业除菌剂的环状脂肽，作为一种天然生物源抗生素，丰原素具有良好的生物安全性和可降解性，相较于传统化学抗生素更具环境友好性和可持续性，在生物防治中具有广阔的应用前景。
现阶段，丰原素通常利用微生物发酵（比如芽孢杆菌）进行生产，然而发酵过程中的生产效率和成本受到发酵条件和菌株产能的限制，高成本和低产量是阻碍丰原素进一步产业化的瓶颈。
针对当前丰原素生产所面临的挑战，天津大学合成生物学前沿科学中心元英进院士、程景胜教授团队开发出一种通过人工菌株联合体和代谢工程提高丰原素产量的新策略，试验显示在 5L 生物反应器中丰原素的产量最高可达 3290mg/L。目前，这项研究成果已经以“An Engineered Microbial Consortium Provides Precursors for Fengycin Production by Bacillus subtilis”为题发表在 Journal of Natural Products 上。
（来源：Journal of Natural Products）
丰原素是一种由芽孢杆菌产生的环状脂肽分子（天然环状脂肽类抗生素），拥有多种生物活性，其在食品、医药、生物防治等多个方面有广泛应用。比如，丰原素具有抑制病原菌和真菌生长作用，通过破坏靶细胞的细胞膜而发挥抗真菌感染的功效，应用于防治植物病害、抑制土传病害等，以及作为天然的保鲜剂（对丝状真菌生长有显著抑制作用）被应用于食品工业。
就现阶段而言，提高丰原素产量的研究主要围绕发酵优化和内源调控等方面。
发酵优化方面，先前研究表明，培养基和发酵条件不仅能够提高芽孢杆菌中丰原素的水平，而且还可以改变丰原素同源物的比例；此外，氨基酸和脂肪酸作为结构前体直接参与丰原素的组装和合成，比如果糖补充剂能增加必需氨基酸的水平，进而提高芽孢杆菌中丰原素的产量。
内源调控方面，目前，通过内源性调节增强脂肽分子的合成是业界的一个研究热点，通过修饰启动子、调节因子和代谢途径能够进一步增强丰原素的产生。
▲图｜人工三菌株联合体示意图（来源：Journal of Natural Products）
通常情况下，单一培养以产生天然产物的微生物菌株依赖于内源性复杂的生化网络，容易造成潜在的代谢负担，相较之下，共培养的策略在生产复杂化学品方面显示出前景，而多菌株联合体的稳定性取决于菌株之间的合理分工和协作。
在这项研究中，为了增加枯草芽孢杆菌中的丰原素产量，元英进、程景胜教授团队通过采用结构依赖性前体供给策略构建出一个三菌株联合体。
需要注意的是，产生丰原素的枯草芽孢杆菌负责组装前体供应菌株提供的氨基酸和脂肪酸，比如，氨基酸是通过谷氨酸棒杆菌中复杂的代谢网络合成的，其中，苏氨酸、缬氨酸、异亮氨酸共享部分生物合成途径，而脯氨酸则通过相对独立的代谢途径合成，敲除或过表达谷氨酸棒杆菌中的某些基因可增加苏氨酸、脯氨酸等的产生。
他们通过基因工程改造谷氨酸棒杆菌，使其能够产生高水平的前体（包括苏氨酸，脯氨酸，缬氨酸和异亮氨酸），以促进丰原素的生物合成。
▲图｜三菌株联合体（TSAC-III）的构建（来源：Journal of Natural Products）
随后，他们将枯草芽孢杆菌与提供氨基酸和脂肪酸前体的重组谷氨酸棒杆菌和解脂耶氏酵母进行共培养，以提高枯草芽孢杆菌在该三菌株联合体中的丰原素产量，并通过对三菌株联合体的共培养条件进行优化，成功构建出一个稳定的生产高水平丰原素的生物合成系统。试验显示，这种人工三菌株联合体在 5L 生物反应器中的丰原素产量高达 3290mg/L。
总的来说，这项研究通过优化发酵条件、添加外源前体以及基因工程改造等方法提高了丰原素的合成效率和产量，为今后扩大丰原素在农业中的应用打下基础，也为微生物合成天然产物提供一种新策略。
▲图｜天津大学化工学院程景胜教授（来源：天津大学化工学院官网）
这篇论文的通讯作者程景胜是天津大学化工学院教授、博士生导师。他课题组的研究方向主要集中于微生物制药、绿色生物农药，抗生素生物转化以及人工混菌系统等领域，针对微生物细胞对环境的适应性及产物合成的高效性，他和团队曾运用系统生物学方法从蛋白和代谢物水平揭示工业酵母菌接种密度的依赖性和真空环境适应性响应机制，发现了高密度接种导致细胞代谢途径间转换的特性，此外，他们还曾采用工程策略调节多粘芽孢杆菌胞外氧化还原态势，结合外源还原剂调节大幅提高了 2,3-丁二醇产量和产率。
参考资料：
1.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jnatprod.3c00705
2.http://chemeng.tju.edu.cn/cn/szdw?type=detail&id=108
3.http://tj.teacher.360eol.com/teacherBasic/preview?teacherId=3113
