基于细胞亚群调控提升生物合成效率的研究进展

曹燕亭 刘延峰 李江华 刘龙 堵国成

（1. 江南大学 糖化学与生物技术教育部重点实验室 生物工程学院，无锡 214122；2. 江南大学 工业生物技术教育部重点实验室 生物工程学院，无锡 214122）

近年来，合成生物学飞速发展，设计与构建微生物细胞工厂生产高附加值产品成为化学品绿色生物制造的重要手段［1-4］。目前，研究人员已开发出许多合成生物学工具和策略来提高微生物细胞工厂生产的产量、转化率和生产强度，如酶活性和表达水平的优化、竞争途径的阻断、中心代谢改造和基于合成遗传回路的动态调控等［4-6］。随着生物合成的转化率逐步接近理论的最大值，进一步提升生物合成效率变得更加困难，因此亟需开发新的工具和方法［7］。

随着显微镜和流式细胞术等单细胞检测技术的发展和应用，研究发现同基因型的纯培养微生物中单细胞间的生长和代谢表现出异质性，且存在不同的细胞亚群，即非生产、低产或高产细胞亚群同时存在［8-13］。高产细胞亚群由于引入的异源途径会与细胞内源过程竞争底物、核糖体、聚合酶等资源，其中间产物、终产物、基因表达的蛋白等也可能对细胞有毒性而形成生产负担，从而表现出降低的生长适应能力［14-17］。与此相反，低产细胞亚群和非生产亚群消耗营养物质却不能高效合成目标产物，它们可能将更多的营养物质用于细胞生长，因而比高效合成目标产物的高产细胞亚群更加具有生长优势。在长时间或者大规模发酵过程中，更加具有生长优势的低产细胞亚群和非生产亚群会逐渐取代高产细胞亚群，从而降低产物合成的综合效率［18-19］。……