中國網/中國發展門戶網訊 生物制造以工業生物技術為核心，融合了合成生物技術、過程工程技術，致力于目標產品的生物加工過程。近年來，隨著合成生物底層技術、關鍵核心技術的不斷突破，生物制造在工業制造領域的重要性日益凸顯，成為推動產業創新和轉型升級的重要力量。全球主要經濟體如美國、歐盟、英國、日本和加拿大等都積極制定了新的生物制造發展路線圖和行動計劃。我國也在2023年中央經濟工作會議及2024年《政府工作報告》中將生物制造定位為生物經濟戰略性新興產業發展方向，重點推動其在生物制藥、生物材料和生物能源等重點領域的發展，促進產業的綠色升級和經濟的高質量發展。

絲狀真菌（filamentous fungi）在生物制造領域扮演著舉足輕重的角色，合成了眾多與人類生活密切相關的重要產物（表1）。長期的工業化生產應用實踐，展示了工業絲狀真菌具有強大的天然產物和酶蛋白合成能力，以及高產量、高轉化率和高生產強度的工業發酵優勢。在Web of Science數據庫中檢索發現（圖1），2000—2023年涉及絲狀真菌生物合成、代謝工程改造及發酵工藝優化等方向的研究論文數量呈現逐年遞增趨勢。這一趨勢不僅揭示了絲狀真菌在生物制造領域的研究熱度不斷上升，也展現了其在生物制造應用的潛力和重要性。

測序技術的發展極大推動了大量不同種屬的真菌基因組測序，截至2024年11月，NCBI、JGI和FungiDB等數據庫中已收錄超過6 000種真菌基因組序列，超過2 000個基因組有相關注釋信息。多組學技術、基因重組及CRISPR/Cas9基因編輯技術的發展，為真菌生理生化、合成機制解析，以及細胞工廠的理性改造等方面提供了重要的技術手段。通過不斷優化、引進和開發高效使能技術，提升了絲狀真菌的遺傳改造能力，從而在工業菌株理性改造和新型細胞工廠構建方面取得重要進展。本文對典型工業絲狀真菌在重要化學品的合成及細胞工廠構建的最新進展進行了綜述，并對絲狀真菌在生物制造領域應用前景進行了展望。

絲狀真菌工業菌株的理性設計改造

企業通過長期的誘變選育，獲得了一系列高產的絲狀真菌工業菌株，應用于醫藥化學品、大宗化學品、工業酶制劑和食品色素等不同類型產品的商業化生產。盡管如此，傳統的誘變選育方法存在工作量大、缺乏針對性、提升空間有限等制約因素，難以實現大的突破。相比之下，基于合成機制與系統生物學指導的代謝工程改造策略具有很好的靶向性和高效性，在合成途徑設計、目標產物合成及副產物消除等方面更具優勢。近年來，我國工業絲狀真菌理性改造研究取得了關鍵技術突破和產業化應用，有效推動了現有產品生產技術的提質增效（圖2）。

醫藥化學品生產菌株的理性改造

絲狀真菌卓越的次級代謝產物合成能力推動了多個重要醫藥、農藥產品的創制，如青霉素/頭孢類抗生素、他汀類降血脂藥物、棘白菌素類抗真菌藥物、免疫抑制劑霉酚酸、麥角生物堿類等重要藥物，以及植物生長刺激素赤霉素等。近年來，這些重要醫藥化學品生物合成途徑及深層調控機制受到了科研人員的廣泛關注，為工業菌株改造策略開發和技術創新提供了重要依據。這些技術進步將有助于提高我國相關企業的國際競爭力，減輕患者的用藥負擔。

辛伐他汀是最重要的降血脂藥物之一，2023年辛伐他汀全球銷售額達55億美元。目前，工業上主要采用生物-化工兩階段生產，首先是土曲霉發酵生產洛伐他汀，然后堿水解處理生成莫納可林J，進一步通過催化合成辛伐他汀。然而，莫納可林J制備的堿水解工藝生產效率較低、環境污染嚴重，增加了企業的環保壓力和生產成本。本文作者研究團隊通過內源合成途徑理性優化、異源元件高效重構及特異性調控改造策略，將洛伐他汀工業生產土曲霉菌株改造成了高效的莫納可林J生產菌株，構建了土曲霉一步發酵生產莫納可林J的新工藝。該工作簡化了辛伐他汀生產工藝，并打通了全生物合成技術路線，已經與浙江海正藥業達成技術轉讓。

棘白菌素類抗真菌藥物是治療深部真菌感染的一線臨床用藥，包括卡泊芬凈、米卡芬凈、阿尼芬凈和雷扎芬凈，生產過程面臨產量低、副產物多、分離純化困難等難題。針對企業提出的技術需求，本文作者研究團隊將藥物合成機制從合成途徑層面延伸至深層次的調控機制，發現了米卡芬凈前體FR901379生物合成的跨基因簇協同調控機制，并提出特異性調控改造策略。結合傳統的合成途徑改造和發酵工藝優化使產量從0.3 g/L提高至4.0 g/L，顯著高于現有工業生產水平。該技術已經與企業達成合作并完成了2 t罐放大驗證，相似的策略同樣成功應用于卡泊芬凈和阿尼芬凈前體的工業菌株理性改造。

赤霉素是重要的植物生長調節劑，能有效促進植物種子萌發、下胚軸伸長、開花時間和果實發育等多個過程，對于農業增產豐收至關重要。赤霉素工業菌株藤倉赤霉菌存在發酵產量低、穩定性差、發酵組分復雜等問題，導致生產成本過高、品控難度較大。通過對菌株代謝網絡的深度理解有助于進一步開發菌株生產潛力，南京師范大學黃和團隊基于全基因組代謝模型，預測并開發多種代謝工程策略強化轉錄因子、前體供應、電子傳遞鏈，并提高限速酶催化活力，消除多種副產物，極大提高了赤霉素的生產水平。該技術已應用于江西新瑞豐生化股份有限公司赤霉素的工業化生產，顯著提升了企業的經濟效益和市場競爭力。

有機酸生產菌株的理性改造

除了合成次級代謝產物之外，工業絲狀真菌也展現出強大的初級代謝能力，被應用于有機酸的生產，如檸檬酸、衣康酸等。目前工業生產中，檸檬酸、衣康酸的糖酸轉化率已接近理論轉化率，傳統代謝工程改造難以進一步提高其產量和糖酸轉化率，系統性分析宏觀發酵過程，結合分子、多組學等微觀層面信息，增強工業菌株的抗逆性、魯棒性，可以提升生產強度及時空產率；同時，進一步拓展底物譜，構建非糧生物質的利用途徑，有望降低有機酸發酵成本。

檸檬酸是目前全球需求量最大的發酵單品，廣泛應用于食品醫藥和輕工等行業，預計2030年全球產值有望達到1 600億元。中國是世界上最大的檸檬酸生產國，年產量高達約150萬—200萬 t，主要生產企業包括濰坊英軒、山東檸檬生化、日照金禾集團、國信協聯、萊蕪泰禾生化、中糧生物科技等。在實際生產中，長期誘變篩選和發酵工藝優化，獲得了高產量及產率的工業菌株。然而，目前發酵糖酸轉化率已接近閾值，傳統的策略難以實現進一步的提升。通過擾動菌株初級代謝通路，促使代謝流進入三羧酸循環，為檸檬酸產量提高提供了新思路。天津科技大學王德培團隊通過抑制尿苷/嘧啶的合成擾動細胞生長，增強糖酵解的通量從而提高了黑曲霉中檸檬酸的生產水平。此外，天津科技大學劉浩團隊通過強化胞質磷酸轉酮酶-磷酸轉乙酰酶途徑，增強乙酰輔酶A供應，提高了檸檬酸的發酵水平。未來，進一步結合多組學信息、全基因組代謝模型及發酵過程多尺度優化，系統地理解檸檬酸發酵過程，并開發利用廉價底物的代謝途徑，有望進一步降低檸檬酸的工業發酵成本。

衣康酸是一種C5不飽和二元有機酸，廣泛應用于化工、材料及醫藥等領域，被美國能源部列為最具應用前景的生物基平臺化合物之一。目前，衣康酸全球年產量約8萬—10萬 t，我國是最大生產國和出口國。然而，衣康酸合成及誘導機制尚未明確，導致菌株的代謝工程改造缺乏系統性的指導，從基因和酶學層面深入解析衣康酸的高產機制，將成為工業菌株理性改造突破的關鍵。本文作者研究團隊從衣康酸工業生產菌株出發，基于多組學信息反饋，系統優化了糖酵解、三羧酸循環、衣康酸的合成與分泌等關鍵節點，成功將衣康酸產量從80.5 g/L提高到88.1 g/L，并且縮短了發酵周期，提高其生產的時空產率。為了擴大底物利用范圍，本文作者研究團隊在土曲霉中表達了黑曲霉的糖化酶，使得土曲霉能夠直接利用淀粉液化液為碳源，衣康酸產量與以葡萄糖為底物的發酵水平接近，為降低衣康酸發酵生產成本提供了可能性。

多不飽和脂肪酸生產菌株的理性改造

多不飽和脂肪酸（PUFA），如花生四烯酸（ARA）、二十二碳六烯酸（DHA）等，因其營養價值和獨特的生理功能受到廣泛關注。隨著合成生物技術的發展，以高山被孢霉和裂殖壺菌為代表的產油真菌成為膳食多不飽和脂肪酸的重要來源。葉超等基于構建的基因組規模代謝模型，證實了蘋果酸酶是還原型輔酶Ⅱ（NADPH）的重要來源，結合多組學分析篩選到了脂質合成過程中關鍵酶—脂肪酸合酶和甘油二酯?；D移酶，開發“推拉模塊策略”調控前體供應，使得高山被孢霉ARA產量較出發菌株提高了5倍，達到4.4 g/L。

DHA工業生產菌株裂殖壺菌在發酵過程中存在生長不穩定、細胞活力不高、油脂含量及質量不高、代謝難以調控等難題，中國科學院青島生物能源與過程研究所崔球團隊通過弱化競爭途徑、增加脂肪酸合成的前體、強化脂肪酸的貯存途徑等策略，獲得了合成高純度DHA的裂殖壺菌細胞工廠，DHA含量達到331 mg/g，占總油脂的61%。南京師范大學黃和團隊替換了負責合成DHA的聚酮合酶（PKS）中的?；D移結構域，實現了DHA和二十碳五烯酸（EPA）共生產，進一步激活不依賴鈷胺素的甲硫氨酸合酶，同時提高了EPA和DHA合成，產量分別為2.25 g/L和9.59 g/L。深入了解PUFA生物合成途徑及關鍵調控方式，探究工業菌株中多不飽和脂肪酸的碳流變化，能夠為下一步代謝工程改造提供靶點。

工業絲狀真菌底盤菌株的開發及應用

工業絲狀真菌，如黑曲霉、土曲霉、青霉菌、嗜熱毀絲菌、里氏木霉等，憑借其在長期工業化生產中的卓越表現，展現了強大的初級代謝和次級代謝產物的合成能力，同時還具備了成熟的工業發酵體系。因此，以絲狀真菌作為底盤構建的細胞工廠，不僅展現出高效合成潛力，而且在工程放大方面技術風險相對較低，更具備良好的規?；a前景。近年來，非模式絲狀真菌底盤細胞也開始受到關注，并成功應用于植物源天然產物、生物基化學品和功能性蛋白等產品的微生物制造（圖3）。

絲狀真菌細胞工廠合成植物活性聚酮化合物

植物天然產物及其衍生物是藥物的重要來源，包括熟知的黃酮、蒽醌等活性化合物。然而，植物生長周期長、提取過程煩瑣，因此微生物合成技術的開發受到廣泛關注。相較于大腸桿菌和酵母等模式底盤細胞，他汀工業生產菌株具有強大的聚酮合成能力，以及適合大規模發酵的抗逆性和非黏性菌絲形態，將其開發成高產聚酮的特色底盤細胞，應用于蒽醌和黃酮類等植物源聚酮化合物的高效合成，將具有很好的工業化優勢。

大黃素甲醚作為一種植物源蒽醌類生物農藥，用于植物白粉病、霜霉病、灰霉病和炭疽病等植物病害的防治，傳統上主要從中藥大黃中提取獲得。本文作者研究團隊以產洛伐他汀工業土曲霉作為底盤細胞，通過內源途徑激活實現了蒽醌的高效合成，以及通過闡明蒽醌開環機制指導合成途徑理性改造，從而實現關鍵中間體大黃素的高效積累。進一步采取多種策略成功挖掘到大黃素-3-羥基-O-甲基轉移酶元件，并在產大黃素菌株中進行適配性異源重構，成功構建了高效合成大黃素甲醚的土曲霉細胞工廠，在百升罐中產量達到6.3 g/L。該技術首次實現了植物源殺菌劑大黃素甲醚的微生物高效合成，實現生產方式從傳統植物提取的農業模式到現代微生物發酵工業模式的技術革新。

黃酮是一類廣泛存在于植物中的活性天然產物，在功能性食品和醫藥等領域具有重要的應用價值，是合成生物技術開發的重要目標。近年來，已經在酵母等模式微生物中實現了多種重要植物黃酮合成途徑的異源重構，仍然面臨著植物途徑與微生物底盤的適配性問題，挖掘微生物來源的黃酮合成途徑是解決問題的可行方案。中國科學院微生物研究所尹文兵團隊在無花果擬盤多毛孢菌中鑒定了新穎的查耳酮合酶，該酶屬于非核糖體肽合成酶—聚酮合酶（NRPS-PKS），其催化機制顯著區別于植物中的Ⅲ型PKS查耳酮合酶。與此同時，本文作者研究團隊在亮白曲霉中也發現了相似的NRPS-PKS類型查耳酮合酶及完整的真菌黃酮合成基因簇，通過異源重構在米曲霉中實現了喬松素和白楊素等多種黃酮化合物的生物合成。上述發現不僅豐富了自然界中黃酮合成途徑的多樣性，也為利用真菌生產黃酮類化合物提供了新的路徑。

絲狀真菌細胞工廠合成有機酸生物基化學品

土曲霉、黑曲霉等有機酸工業生產菌株，不僅具有強大高效的中心碳代謝能力和有機酸分泌能力，還在工業生產過程中展現出耐酸、耐高溫等優良抗逆特性。這些特性使得它們能夠成為理想的有機酸化學品高效合成底盤細胞，在開發有機酸綠色生物制造技術過程中發揮重要作用（圖4）。

反式烏頭酸是一種六碳不飽和三元羧酸，獨特的化學結構使其在生物農藥、生物基材料和食品領域具有很好的應用價值，入選了美國能源部遴選的30種具有應用潛力的生物基平臺化合物清單。然而，由于缺乏規?；a途徑阻礙了反式烏頭酸的下游應用開發。本文作者研究團隊以低pH值耐受的衣康酸工業菌株為底盤，構建了產反式烏頭酸土曲霉細胞工廠，并在20 t罐中完成發酵工藝開發，建立了國際首條反式烏頭酸的微生物綠色制造生產示范線，推動了反式烏頭酸在殺線蟲生物農藥中的應用。針對全球數百萬t石油基鄰苯類增塑劑因健康危害亟待被替代而又無法替代的產業“卡脖子”困境，研究團隊以反式烏頭酸為原料開發了新型生物基增塑劑反式烏頭酸酯，建成了全鏈條技術貫通的生產示范線。與市場上主流增塑劑進行全面性能對比，反式烏頭酸三丁酯等產品具有安全環保、高效增塑和長效穩定的優勢，有望在一定程度上替代傳統的石油基鄰苯類增塑劑，為突破塑料行業的發展瓶頸提供了新的解決方案。

黑曲霉作為檸檬酸的工業化生產菌株，憑借其優異的耐酸性能、高生產強度、安全性及對廉價碳源的高效利用等，被認為是合成三羧酸循環中有機酸的理想工業底盤。天津科技大學劉浩團隊基于自主篩選的黑曲霉底盤，成功構建了高效合成蘋果酸的黑曲霉菌株，進一步通過轉運蛋白鑒定與強化、還原力平衡調控、提升菌株抗逆性，蘋果酸的產量達到了201.1 g/L，糖酸轉化率為1.64 mol/mol，該技術已在昊禾生物科技（常州）有限公司完成了百t級發酵生產示范。通過對黑曲霉全基因組代謝模型預測，對琥珀酸合成代謝網絡進行了系統分析，通過強化還原力供應、產物轉運，使得黑曲霉以糖蜜為原料生產琥珀酸的產量達到23 g/L，對利用非糧生物質生產有機酸進行了探索性評估。

在非糧生物質利用方面嗜熱毀絲菌具有獨特優勢，作為一種耐高溫（45℃—50℃）的工業絲狀真菌，具備快速降解纖維素和高產纖維素酶的能力。中國科學院天津工業生物技術研究所田朝光團隊利用嗜熱毀絲菌為底盤，通過代謝工程改造強化還原性三羧酸循環（rTCA）途徑及蘋果酸轉運，實現了利用玉米芯生物質為碳源，蘋果酸產量達到181 g/L，糖酸轉化率為0.99 g/g，開發了高溫條件下利用可再生纖維素生物質合成大宗化學品的嗜熱毀絲菌細胞工廠，為多種有機酸化學品的綠色生物制造技術開發提供新的選擇方案。

絲狀真菌底盤合成功能性蛋白質的應用

絲狀真菌具有強大的蛋白質折疊、翻譯后修飾和分泌能力，以及易于誘導及大規模發酵技術成熟等優勢，商業化生產了糖化酶、纖維素酶、漆酶、植酸酶、蛋白酶、酯酶和葡糖氧化酶等非常重要的核心工業酶制劑，成為酶制劑產能最大的一類工業微生物。目前，工業化應用成熟工業菌株主要來源于曲霉屬、木霉屬和青霉屬，其中黑曲霉、里氏木霉、米曲霉和產黃青霉被認定為食品安全菌株，具有更廣泛的應用前景。隨著合成生物技術的快速發展，絲狀真菌的應用已經從傳統的工業酶制劑等蛋白質產品拓展到了食品替代蛋白、抗體等產品合成領域。江西富祥藥業有限公司與江南大學聯合開發了短柄鐮刀菌底盤發酵生產微生物蛋白關鍵技術，并成功實現了工業化生產，年產能達1 200 t。此外，美國Dyadic 國際公司利用嗜熱毀絲霉開發了C1蛋白質生產平臺，實現了抗體蛋白人流感疫苗和新冠病毒刺突蛋白疫苗的高效生產。醫藥和食品是現代生物制造的重要應用場景，這些工作展示了絲狀真菌在酶制劑之外的蛋白質產品生產方面同樣具有挖掘潛力。

展望與建議

憑借強大的初級代謝和次級代謝合成能力，工業絲狀真菌在合成特定類型化合物方面具有獨特優勢。更重要的是，工業絲狀真菌具有適合大規模生產的優異性能和成熟產業基礎，技術的工程化放大風險相對較小，從而使得產業化落地更具可行性和可靠性。然而，為了進一步推進絲狀真菌產業的發展，需要加強使能技術開發、認識深層高產機制及探究共性問題等基礎方面的研究，同時也需要從企業、市場、政策等方面思考進一步推進絲狀真菌在生物制造中的應用。

開發絲狀真菌特色使能技術

雖然目前CRISPR/Cas的基因編輯技術已在多種絲狀真菌中實現了應用，然而，其仍然面臨篩選標記受限、編輯效率不高、存在脫靶效應及純合轉化子難分離等挑戰。研究絲狀真菌產生不同細胞核分布類型的機制、細胞周期對基因編輯效率的影響，能夠指導高質量原生質體制備技術；優化Cas蛋白的表達策略，實現可控的高效功能性表達，從而在提高編輯效率的同時降低基因毒性和脫靶效應；進一步優化體外核糖核蛋白（RNPs）技術，提高Cas蛋白、sgRNA和donorDNA的膜穿透率及細胞核精準遞送效率；除此之外，結合絲狀真菌的基因組遺傳特征，開發真菌特色的新型CRISPR系統，如Fanzor系統或CRISPR-轉座子系統，以實現更高效的多基因編輯，支撐更多代謝工程改造策略的開發與應用。

深入研究絲狀真菌中共性的關鍵科學問題

目前，絲狀真菌研究主要集中在基因編輯技術開發及產物途徑解析等方面，但對于絲狀真菌共性難題的研究還不夠深入，嚴重制約了合成生物技術的發展。工業生產中遇到的技術困境需要從基礎科學研究中尋求突破，包括真菌孢子發育形成機制與工業孢子批量制種難題，菌絲形態發育調控與非黏性發酵工藝，全基因組代謝模型與精準的發酵過程多尺度優化。對上述關鍵科學問題的系統性探索，能夠加深對絲狀真菌生理代謝與發育的認識，更精準地為后續菌株理性改造提供關鍵靶點，解決制種、產物靶向合成和形態控制等共性的生產技術難題。

強化非糧生物質資源的利用

非糧生物質資源的開發利用，不僅能夠有效緩解對傳統糧食資源的壓力，還能促進資源的可再生循環利用。然而，非糧生物質利用面臨著原材料難處理、糖化和發酵轉化效率低、綜合成本控制難度大等難題，絲狀真菌因其強大的生物質降解能力和抗逆性等，在非糧生物質利用中展現出巨大潛力。應用合成生物學技術重構生物質利用途徑，開發高效的非糧生物質轉化技術和處理工藝，能夠提升工業絲狀真菌生物質的利用效率。進一步探索非糧生物質糖化和發酵新工藝，以及生物基材料和化學品的新生產途徑，不僅能夠實現非糧生物質對傳統的發酵底物的替代，如糖和淀粉等，進一步降低發酵成本，實現降本增效，還能夠有效解決與人爭糧的問題，為國家糧食安全戰略提供有力支撐。

（作者：杜志強、門萍、張璇、黃雪年、呂雪峰，中國科學院青島生物能源與過程研究所 青島新能源山東省實驗室 山東能源研究院；周宇，中國科學院青島生物能源與過程研究所青島新能源山東省實驗室 山東能源研究院 濟南大學智能材料與工程研究院?！吨袊茖W院院刊》供稿）