来源：Semantic Scholar | 编译：DNA Lab Space
导语
生物表面活性剂因低毒性、可生物降解和独特的界面活性，正成为替代化学表面活性剂的绿色选择。然而，天然菌株的低产量和高生产成本始终是工业化瓶颈。Chabhadiya 等人在《Biotechnology Notes》发表的综述，系统梳理了利用代谢工程与合成生物学工具提升生物表面活性剂生产的创新策略，从途径重构、底物利用拓宽到工业适应性优化，为构建高效细胞工厂、推动生物表面活性剂在环境修复和工业乳化中的可持续应用指明了方向。
研究背景
表面活性剂凭借亲水-疏水双亲结构，在洗涤、乳化、润湿和分散等领域不可或缺。全球每年生产逾1500万吨表面活性剂，绝大部分源自石化资源，其生产和使用环节存在生态毒性累积、难降解等问题。生物表面活性剂主要由微生物（如假单胞菌、芽孢杆菌、念珠菌和星形酵母等）发酵产生，涵盖糖脂（鼠李糖脂、槐糖脂）、脂肽（表面活性素、伊枯草菌素）、磷脂和高分子乳化剂等多类分子。它们不仅生物可降解、毒性低，还能在极端温度、pH 和盐度下保持活性，在石油烃污染修复、重金属洗脱、药物递送和化妆品中展现独特优势。
然而，天然微生物的合成能力有限：野生菌株的产物滴度通常在克/升级别，且受到反馈抑制、前体供给不足和复杂代谢网络的制约。针对单一产物的传统发酵优化虽能提升产量，但难以突破菌株固有限制。近年来，系统生物学、代谢模型（如基因组尺度代谢模型 GSMM）和 CRISPR-Cas 基因组编辑工具的兴起，为理性改造底盘细胞、重构合成路径提供了可能。正是在这一背景下，Chabhadiya 等人的综述全面探讨了代谢与基因工程手段如何从多个维度“解锁”生物表面活性剂的工业潜力。
研究方法
该综述系统检索并整合了2010年至2024年间在代谢工程和合成生物学领域推动生物表面活性剂生产的关键研究，采用主题文献计量和批判性分析的方法，围绕以下主要技术路线展开论述：
**1. 前体供给与合成途径的增强**
作者总结了四条核心策略：①**碳代谢重定向**——通过强化脂肪酸从头合成（FAS）途径、增强乙酰辅酶A和丙二酰辅酶A供应，提升疏水尾链的合成通量。例如，在大肠杆菌和枯草芽孢杆菌中过表达乙酰辅酶A羧化酶（ACC）和脂肪酸合酶基因簇，可使脂肽前体供给量提升2-5倍。②**中心代谢通量调整**——利用代谢通量分析（MFA）识别磷酸戊糖途径与糖酵解的节点，通过敲除竞争旁路（如phbC基因阻断聚羟基脂肪酸酯合成）将碳流引导至目标糖脂。③**异源途径重构**——在模式宿主（如酿酒酵母、恶臭假单胞菌）中整合来自不同微生物的完整合成基因簇，实现原本无法合成的天然、或非天然类生物表面活性剂的定向生产。④**辅因子工程**——调节NAD(P)H/NAD(P)+比率，强化还原驱动型合成反应，提高糖基转移或脂肽缩合的催化效率。
**2. 底物谱拓宽与廉价原料利用**
为降低成本，研究工作大量聚焦于利用木质纤维素水解液、粗甘油、含油废水、工业废糖蜜等廉价碳源。对此，综述归纳了三条技术路径：①**转运与分解代谢工程**——引入或强化五碳糖（木糖、阿拉伯糖）转运蛋白和代谢途径；②**耐受性改造**——通过适应性进化、全局转录因子工程（如工程化应激转录因子σ因子）和膜转运蛋白改造，提高菌株对水解液抑制物（糠醛、羟甲基糠醛）的耐受；③**混合底物协同利用**——构建磷酸转移酶系统（PTS）缺陷菌株，解除碳代谢物阻遏，实现葡萄糖-木糖等混合糖的同步消耗，提升生物表面活性剂在真实非粮原料中的得率。
**3. 基因线路与动态调控元件**
合成生物学的发展使研究者不仅能提升产物滴度，还能实现细胞代谢的最优分配。文中分析了多种**动态调控系统**的应用：①**群体感应（QS）开关**——将表面活性素合成酶基因（srfA）置于luxI/R QS系统控制下，在细胞密度达到阈值时自动启动生产，规避生长与生产的冲突；②**生物传感器驱动进化**——设计能响应脂肪酸、鼠李糖脂或表面张力的TF-启动子偶联系统，结合荧光蛋白输出进行高通量筛选，大幅加速高产菌株的定向进化；③**生长-生产两阶段控制线路**——利用诱导型启动子（如IPTC诱导的Plac系统或光控系统）在生物量积累完成后精确开启合成通路，使产物比传统恒速表达策略提升数倍。
**4. 基因组编辑与模块化组装**
CRISPR-Cas9、碱基编辑和转录激活/干扰工具（CRISPRa/i）在生物表面活性剂生产菌株优化中的应用是另一重点。综述强调，**高通量基因组编辑**实现了多基因同时扰动：如在皮氏假单胞菌中一次性敲除三个负调控因子并过表达合成基因簇，鼠李糖脂产量提高一个数量级。同时，**模块化组装**策略被用于基因簇拷贝数优化、脂肽脂肪链长度与环化度的定制，拓展了结构多样性和物化特性。
**5. 工业适应性与环境功能评价**
除产量优化外，作者还关注了工程菌株的工业及环境应用验证。包括：在生物反应器中利用工程菌株处理含油污泥时的**原位乳化活性**评估；工程菌产的脂肪肽对碳钢腐蚀的抑制效率测试；以及通过合成生物学引入降解酶基因，赋予生产菌株“生产-降解”双重功能，用于强化海洋溢油修复。
研究结果
通过对大量案例的系统比较，Chabhadiya 等的综述揭示了当前领域内的一系列关键数据与发现：
- 通过组合**脂肪酸合成增强、竞争途径敲除和QS动态调控**，枯草芽孢杆菌中表面活性素产量实现了从野生型的0.5 g/L提升至12.8 g/L，且产物同系物比例可控。
- 利用**异源重构的槐糖脂合成途径**结合蛋白质工程改造糖基转移酶，使酿酒酵母的槐糖脂产酸产量达到60 g/L以上，且酸性型与内酯型比例可精细调节以满足不同HLB需求。
- 在**廉价原料利用**方面，工程化木糖代谢的单胞菌表现出同时利用葡萄糖和木糖的能力，鼠李糖脂产量在木质纤维素水解液中达到22.3 g/L，原料成本降低60%-70%。
- 基于**脂肪酸感应型生物传感器**的高通量筛选系统，使鼠李糖脂高产突变株的获取周期从数周缩短至3天，突变库筛选通量达10^5克隆/轮。
- 在环境应用层面，工程菌株在含油泥浆的7天生物修复实验中实现了**总石油烃去除率73%**，显著优于化学表面活性剂对照（58%），且基因修饰未影响其在开放体系中的存活竞争力。
- 针对工业冷却水系统中的**微生物腐蚀抑制**，工程产脂肪肽菌株形成的生物膜使碳钢腐蚀速率降低80%，展示出替代有毒化学缓蚀剂的潜力。
综述同时指出，当前多数高产菌株仍为模式底盘细胞改造而来，工业放大条件下的遗传稳定性和规模化发酵工艺参数仍有待深度优化。尽管如此，已有多个工业级示范项目的吨级发酵数据显示，完全工程化的生物表面活性剂生产成本已逼近化学竞品的2-3倍以内，正在跨越商业化的“成本鸿沟”。
讨论与展望
Chabhadiya 等指出，代谢工程与合成生物学的融合正彻底改变生物表面活性剂的研发范式。未来的突破将集中在以下几个方面：其一，**数字化代谢模型与辅助设计**——通过全基因组代谢模型和机器学习预测最优基因编辑靶点，加速“设计-构建-测试-学习”循环；其二，**跨界细胞工厂构建**，破解疏水产物胞内累积毒性的难题，开发膜工程策略提升产物外排效率；其三，**极端环境适配**，挖掘嗜热、嗜盐或嗜冷菌中的天然合成机制，经定向改造后用于高盐或高温工业废料直接处理；其四，**非传统结构创制**，利用非核糖体肽合成酶（NRPS）模块交换和糖基转移酶定向进化，创造自然界不存在的新型“定制”表面活性分子，以满足精准药物递送和纳米材料合成的需求。
在环境领域，工程菌的安全释放与生物封锁机制将成为研究热点。若能将合成基因线路与自杀开关整合，即可实现污染物清除后菌株的自动消亡，消除生物安全隐患。此外，生物表面活性剂在修复纳米塑料污染、提升二氧化碳捕获与矿化效率等新兴方向的应用价值亦值得探究。
总之，该综述为生物表面活性剂领域绘制了从基础代谢工程到产业应用的清晰路线图，凸显了多学科技术融合的巨大潜能。随着更高效的基因编辑工具、更大的代谢数据和更先进的发酵工程集成，未来生物表面活性剂有望在可持续化学品版图中占据关键一席。
参考来源
Chabhadiya S, Acharya D K, Mangrola A, et al. Unlocking the potential of biosurfactants: Innovations in metabolic and genetic engineering for sustainable industrial and environmental solutions[J]. Biotechnology Notes, 2024. DOI: 10.1016/j.biotno.2024.07.001
DOI: 10.1016/j.biotno.2024.07.001