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近日，High漫画 鲁洪中副教授团队联合南京大学化学化工学院黄小强教授团队在国际权威期刊《Nature Communications》发表了题为“Integrating microbial cell factory with new-to-nature photobiocatalysis for de novo biosynthesis of D-homotryptophan”的研究论文。该研究创新性地将微生物细胞工厂与非天然光生物催化反应整合，通过模块化设计策略，成功构建了光驱动微生物细胞工厂，实现了非天然氨基酸D-高色氨酸的从头合成，为未来非天然产物的生物制造提供了全新平台。

【痛点】当“生物制造”遇上“光化学”的鸿沟

非天然氨基酸是创新药物开发、生物材料合成和蛋白质工程的重要基石。传统微生物细胞工厂虽然绿色可持续，但受限于天然酶的催化特异性，难以高效合成结构多样的非天然产物。近年来，光生物催化技术通过光氧化还原与酶催化的协同，极大拓展了酶的化学反应边界，能够介导自然界中不存在的C-C键重排形成新反应。然而，将这类新光酶反应放入活细胞并使其与微生物内源代谢网络进行无缝衔接时却面临重重挑战：光催化通常需要严格厌氧环境，而微生物发酵往往依赖好氧条件；异源酶表达带来沉重代谢负担；非天然底物的化学合成步骤繁琐、成本高昂。如何让“光”与“细胞”跨越时空障碍、协同工作，成为生物制造领域亟待破解的难题之一。

【破局】模块化解耦策略实现好氧发酵与厌氧光催化的协同

针对上述核心矛盾，本研究的核心创新点在于将传统一锅法的生物合成过程进行了模块化解耦。研究团队并未试图强行在同一个细胞内或同一个反应器中兼容两种相互冲突的环境，而是从系统设计的角度，将整个合成路径拆解为两个在时间与空间上独立、在功能上互补的模块，并分别进行优化与整合。

模块一：基于代谢工程改造的大肠杆菌，高效合成关键光催化前体

模块一的目标是在好氧条件下，利用大肠杆菌自身的代谢网络合成非天然光催化反应的必需前体——吲哚-3-乙酸（IAA）。为解决IAA前体L-色氨酸的供应问题，团队对大肠杆菌的芳香族氨基酸代谢网络进行了系统的代谢工程改造。具体策略包括：敲除竞争性代谢途径（pheA、tyrA）以重新定向碳通量；敲除trpR解除色氨酸操纵子的转录抑制；阻断色氨酸降解（tnaA敲除）以及强启动子过表达trpEDCBA基因簇，显著提升了L-色氨酸的代谢通量。为解决tyrA敲除导致的菌株生长缺陷，团队创新性地引入生长响应型启动子Pflic，在稳定期动态互补酪氨酸合成，实现了生物量与产物合成的平衡。最终，工程菌株MGHT-10-1的L-色氨酸产量达到506.72 mg/L，为后续IAA合成提供了充足的前体供应。

在获得L-色氨酸高产底盘后，团队进一步在该菌株中引入了异源的IAM（吲哚乙酰胺）代谢途径，将L-色氨酸转化为IAA。针对该异源途径中催化效率不足的瓶颈问题，团队采用了多拷贝染色体整合策略。通过在基因组多个中性位点（mbhA， ldhA， sdaB， poxB）整合额外的tms2酰胺水解酶基因，以加强限速步骤的代谢通量。最终，工程菌株MGHT-21在3 L补料分批发酵罐中实现了906.13 mg/L的IAA积累，为后续光催化反应提供了充足的前体底物。

图1 异源表达IAM途径及多拷贝策略改善IAA的合成

模块二：全细胞光生物催化体系实现非天然氨基酸的精准合成

模块二的核心任务是在厌氧光照条件下，利用全细胞催化剂将IAA转化为目标产物D-高色氨酸。为建立高效的光生物催化反应，团队首先在体外对反应进行设计与筛选。通过系统评估多种色氨酸合酶（TrpB）突变体及光敏剂，研究确定了最优催化组合（PfTrpB7E6酶与RhB光敏剂）。在440-450 nm蓝光照射下，该体外光催化体系能够以66%的产率获得D-高色氨酸，并表现出优异的立体选择性（96:4 e.r.），证实了该非天然光催化路径的高效性与高对映选择性。

随后，团队开展了关键的体内整合验证实验。模块二采用了表达PfTrpB7E6的大肠杆菌作为全细胞光催化剂。在严格厌氧与蓝光照射条件下，利用模块一预处理的IAA粗提液作为底物，成功实现了D-高色氨酸的合成。进一步在最优条件下（5倍底物浓度、OD600=20），该体系在30 h产生了299.75 mg/L的D-高色氨酸。最终，经过100 mL规模的体系验证，成功证实了从微生物发酵到光催化合成全流程的可行性与可放大性。

图2 模块化光驱动细胞工厂实现D-高色氨酸的从头合成

【总结与展望】

本研究通过创新的模块化设计，在系统层面成功实现了传统好氧微生物发酵与厌氧光生物催化两个不兼容过程的有效解耦与协同整合，为非天然化合物的高效、可持续生产提供了一个具有普适性与可拓展性的新平台。该研究不仅验证了在原子和电子层面对生物催化反应进行精准调控的可行性，也为突破天然酶催化功能的限制、拓展合成生物学的化学空间提供了新的研究范式。该模块化策略有望被进一步推广应用于其他高附加值非天然化合物的生物合成研究中，在医药、精细化工及生物材料等领域展现出广阔的应用前景。

南京大学博士生郭之旗和High漫画 博士生高庚荣为论文共同第一作者，黄小强教授与鲁洪中副教授为共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划（2022YFA0913000）、国家自然科学基金（22277053，22208211和22378263）、中央高校基本科研业务费专项基金项目等项目的支持。

【课题组介绍】

鲁洪中课题组长期从事高精度数字细胞模型构建，破译基因型‑表型关系，解析生命运作规律；开发细胞工厂精准设计算法，实现BT和IT技术的深度结合，以期解决细胞代谢全局可预测、菌株理性改造等合成生物学领域的关键问题与挑战（//highcomics.net/teacher/luhongzhong）。相关成果以一作或通讯作者发表于PNAS (2025a，2025b)、Nat. Commun.（2019，2026a，2026b）、Mol. Syst. Biol.、Metab. Eng.和Trends Biotechnol.等国际知名期刊。

文章链接：//www.nature.com/articles/s41467-026-74128-3