全球首个：我国科学家成功构建“无质粒”红霉素合成细胞工厂，刷新最高产量纪录

中国科学院分子植物科学卓越创新中心合成生物学重点实验室、植物性状形成与塑造全国重点实验室王勇研究组题，开发了一种创新的、基于可重复利用靶点的大片段 DNA 染色体整合策略，成功构建了首株能够脱离质粒、稳定合成红霉素 A 的大肠杆菌菌株，并显著提升了产量。

该成果于 2025 年 12 月 30 日发表在国际学术期刊 Bioresource Technology 上。

红霉素作为一种临床重要的广谱大环内酯类抗生素，其异源生物合成涉及复杂的代谢途径和庞大的基因簇（约 55 kb）。传统研究多采用多质粒系统进行表达，但质粒的不稳定性、抗生素的使用以及细胞代谢负担过重，始终限制着生产效率的进一步提升。为了解决这一难题，研究团队开发了一套基于 CRISPR / Cas9 的“可重复利用靶点工具包（Reusable target-site toolkit）”。

该工具包针对不同长度的片段采取了差异化策略。

• 对于大于 10 kb 的片段：采用两步整合法，利用限制性内切酶从质粒直接切割大片段作为供体 DNA，有效避免了长片段 PCR 引入突变的风险。

• 对于小于 5 kb 的片段：采用迭代整合法，在同一靶点进行连续组装。

通过该技术，研究人员将 23 个红霉素合成相关基因（总长达 56.2 kb）精确集成到大肠杆菌 BAP1 的染色体上，获得了工程菌株 sZG9，这也是全球首个实现无质粒红霉素 A 生物合成的大肠杆菌菌株。

在实现染色体稳定集成后，研究团队针对红霉素合成中的前体供应瓶颈，进行了深度的代谢工程优化。

• 强化糖单元供应：通过系统性阻断竞争途径（如删除 zwf，rfbC 等基因），并引入磷酸葡萄糖变位酶（PGM）的 Ser45Asn 突变，消除了负调控位点，显著增加了脱氧糖前体的积累。

• 增加丙酰辅酶 A 供应：团队识别出丙酰辅酶 A 合成酶（PrpE）的关键调控位点，通过 Lys592Asn 突变解除其受到的负反馈调节，大幅提升了红霉素大环内酯核心结构的合成能力。

经过多轮迭代优化，最终菌株 sZG135 的红霉素 A 产量达到 9.80 mg/L，相比初始菌株实现了 8.25 倍的大幅增长，刷新了目前大肠杆菌合成红霉素 A 的最高产量纪录。该项研究不仅为红霉素的高效生产提供了高性能的底盘细胞，更重要的是，其开发的大片段 DNA 染色体整合策略具有极强的通用性，可推广至其他复杂聚酮类、萜类等天然产物的生物合成中，为合成生物学研究提供了强有力的工具支持。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心王勇研究组博士研究生冯占广为论文第一作者，王勇研究员为通讯作者。