鼠李糖脂生物表面活性剂的模块化设计合成与优化调控

Biosurfactants are synthesized by microorganisms under complex control of quorum sensing and substrate specificity, which seriously restricted low-cost and stable production of biosurfactants. Based on synthetic biological technology, designing, constructing and fine-tuning biosurfactant-synthesized functional modules would be helpful to construct production-effective artificial cells. Here, we take the synthesis of rhamnolipid biosurfactant as an example by extracting related functional modules from marine microorganisms. The modules are artificially designed and synthesized, optimally combined with a series of regulatory elements and vectors in microbial chassis. The surface-active performance of the biosurfactant-producing artificial cells are examined, revealing functional effects of the constructed modules. This study will explore the synthetic biology strategy in constructing and fine-tuning functional modules for producing biosurfactant, and will lay theoretical foundations for improving artificial cell of more effective application and production.

微生物合成生物表面活性剂的代谢途径受细胞群体感应和底物特异性等复杂调控，制约了生物表面活性剂的低成本、稳定生产。运用合成生物技术，人工设计并构建产表面活性剂的功能模块并优化调控，能够实现生物表面活性剂在人工细胞中的高效、可控合成，降低生产成本，提高合成效率。本项目针对鼠李糖脂生物表面活性剂的合成途径，利用海洋环境中丰富的微生物资源，从分子水平挖掘相关功能基因及其组成模式；人工设计并合成产生物表面活性剂功能模块，与多种调控元件、载体及底盘细胞等组合优化，构建产生物表面活性剂的人工细胞；结合人工细胞在表面活性、乳化性等性能上的差异，阐述功能模块对微生物底盘细胞代谢合成表面活性物质的影响，并进一步优化功能模块的设计与调控。该研究探索了微生物合成生物表面活性剂的高效生产和有效调控的合成生物学策略，为构建更高效的的产表面活性剂人工细胞奠定基础。

本项目针对鼠李糖脂生物表面活性剂在人工细胞中的高效、可控合成，从鼠李糖脂合成模块的挖掘、设计、构建、组合、优化及调控等方面开展合成生物学研究。首先解析了海洋细菌中鼠李糖脂生物表面活性剂合成的特性、相关功能基因及其表达情况。在此基础上，首次采用合成生物技术，将来源于Pseudomonas aeruginosa和Burkholderia pseudomallei两种不同种属的rhlAB和rhlC基因，针对大肠杆菌底盘细胞进行模块化设计合成并组合优化，获得多种单、双鼠李糖脂组分产物；将外源途径与底盘细胞内源的前体合成途径（包括鼠李糖合成和脂肪酸合成途径）进行模块化优化组合，优化外源诱导条件，提高大肠杆菌合成鼠李糖脂的产量，并分析了人工优化调控对工程菌鼠李糖脂产物中同系物组成的影响；所构建的工程菌在摇瓶培养时，共表达内源rfbD模块的菌株产量达0.643 g l-1，较仅含rhlAB-rhlC模块的菌株产量0.446 g l-1提高了44%，产物主要组成为双鼠李糖脂Rha-Rha-C10-C10。本研究探索了鼠李糖脂生物表面活性剂异源合成的合成生物学策略，为获得更高效的工程菌株提供了研究基础。. 研究工作圆满达到预期目标，研究内容和研究计划按原计划进行。项目执行期间已经发表SCI论文1篇，中文论文4篇，申请专利1项。