反式烏頭酸是（trans-aconitic acid）具有三個羧基和一個不飽和雙鍵的C6小分子有機酸，在農(nóng)業(yè)線蟲病害防治方面具有較好的效果，頗具應(yīng)用前景。反式烏頭酸傳統(tǒng)上主要是通過從甘蔗制糖過程中少量提取獲得，而開發(fā)的化學(xué)合成方法過程復(fù)雜、副產(chǎn)物多、得率低，均無法實現(xiàn)大規(guī)模低成本生產(chǎn)，使得反式烏頭酸未能形成大規(guī)模商業(yè)供應(yīng)。原料可及性問題成為阻礙反式烏頭酸下游應(yīng)用開發(fā)的關(guān)鍵限制性因素。
中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所微生物制造工程中心設(shè)計構(gòu)建了高效合成反式烏頭酸的微生物細(xì)胞工廠，聯(lián)合相關(guān)單位開發(fā)了發(fā)酵工藝并完成工程放大驗證，實現(xiàn)了反式烏頭酸的高效綠色生物制造，解決了關(guān)鍵的原料可及性困境，同時通過田間實驗證明反式烏頭酸可有效降低農(nóng)業(yè)根結(jié)線蟲的危害。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《代謝工程》（Metabolic Engineering）上。
該工作選擇具有低pH耐受能力的產(chǎn)衣康酸土曲霉工業(yè)菌株作為底盤細(xì)胞，通過敲除順烏頭酸脫羧酶編碼基因阻斷衣康酸的生物合成，構(gòu)建同時大量積累順烏頭酸和反式烏頭酸的第一代土曲霉工程菌株，總產(chǎn)量約10 g/L。該工作為了將順烏頭酸快速轉(zhuǎn)化為反式烏頭酸以避免進(jìn)入TCA循環(huán)被消耗，篩選評估不同時間響應(yīng)的強啟動子、不同定向整合位點、不同底盤細(xì)胞和不同烏頭酸異構(gòu)酶元件，設(shè)計了異源重構(gòu)烏頭酸異構(gòu)化模塊的系列土曲霉菌株，獲得了更高效的第二代產(chǎn)反式烏頭酸細(xì)胞工廠，搖瓶發(fā)酵產(chǎn)量約20 g/L，反式烏頭酸比例從57%提高到90%。
進(jìn)一步，科研人員在培養(yǎng)基優(yōu)化過程中通過多組分篩選發(fā)現(xiàn)反式烏頭酸發(fā)酵生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵營養(yǎng)限制因子，并通過溶氧控制等條件優(yōu)化開發(fā)了百升罐的發(fā)酵工藝，依托相關(guān)單位的產(chǎn)業(yè)化中試平臺將工藝逐步放大優(yōu)化到5噸罐，并完成20噸發(fā)酵規(guī)模的生產(chǎn)示范，發(fā)酵98小時反式烏頭酸產(chǎn)量達(dá)到60 g/L。
植物寄生線蟲是造成農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失的農(nóng)業(yè)病蟲害，且防治手段有限。有關(guān)單位基于發(fā)酵生產(chǎn)的反式烏頭酸開展了黃瓜線蟲防治田間試驗。結(jié)果顯示使用反式烏頭酸后根結(jié)線蟲病造成的危害得到有效改善。反式烏頭酸560g畝用量與當(dāng)下主流化學(xué)殺線劑噻唑膦180g畝用量的防治效果相當(dāng)，但使用成本顯著低于噻唑膦。該工作為植物寄生線蟲防控這一難題提供了新的解決方案。
該工作利用合成生物學(xué)策略開發(fā)了可實現(xiàn)反式烏頭酸大規(guī)模低成本生產(chǎn)的綠色生物制造技術(shù)，為反式烏頭酸殺線劑的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。更重要的是，反式烏頭酸原料可及性困境的突破，將推動反式烏頭酸作為重要生物基化學(xué)品的下游應(yīng)用技術(shù)開發(fā)、為生物基材料開發(fā)提供了新選項。
研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（A類）、國家自然科學(xué)基金和山東省人才計劃的支持。
