大肠杆菌中羊毛甾醇生物合成途径的构建及其增强细菌逆境耐受性的机制研究

推荐：本研究通过在大肠杆菌(E. coli)中重构真核生物特征性脂质羊毛甾醇(lanosterol)的生物合成途径，成功开发出首例能合成该甾醇前体的工程菌株LST3。研究发现，羊毛甾醇能显著提升细菌对高温、低pH、ROS及有机溶剂等多重逆境的耐受性，其机制涉及维持膜完整性、流动性及提升ATP产量。该成果发表于《Synthetic and Systems Biotechnology》，为细菌膜工程和工业菌株改造提供了新思路。

　　

在生命进化的长河中，真核生物与细菌/古菌之间存在显著的"脂质鸿沟"(lipid divide)——前者特有的甾醇(sterols)和鞘脂(sphingolipids)在后者中几乎绝迹。作为所有动物和真菌甾类激素的关键前体，羊毛甾醇(lanosterol)在真核细胞中具有调节膜流动性、维持应激耐受等重要功能，但其在细菌系统中的潜在作用始终成谜。更令人困惑的是，自然界中极少数能合成甾醇的细菌（如甲烷氧化菌、黏细菌等）往往难以培养和遗传操作，这严重阻碍了相关研究的推进。

面对这一挑战，来自中国科学院的研究团队另辟蹊径，选择遗传操作体系成熟的大肠杆菌(Escherichia coli)作为研究对象。通过系统引入异源酶促途径，首次在该模式细菌中成功构建了羊毛甾醇的生物合成路线，并深入解析了这种真核特征性脂质对原核细胞生理功能的调控机制。这项突破性成果发表于合成生物学领域知名期刊《Synthetic and Systems Biotechnology》。

研究团队采用多组基因工程技术联用的策略：首先通过CRISPR-Cas9系统在基因组中精准整合来自酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的角鲨烯合成酶基因(terg9)和甲基球菌(Methylococcus capsulatus)的角鲨烯单加氧酶基因(smo_Mc
)；针对溶解性差的羊毛甾醇合成酶(LSS)，创新性采用NusA融合标签策略使其可溶性提高3.76倍；同时通过启动子工程强化MEP途径限速酶Dxs的表达。结合GC-MS检测，最终获得的LST3菌株能合成27 μg/g DCW的羊毛甾醇，这是细菌合成该类真核脂质的首例报道。

在"3.1 异源酶挖掘"部分，研究揭示了LSS_Mc
与真核同源酶ERG7仅33%的序列相似性，通过蛋白质溶解度预测工具筛选发现NusA标签能显著提升其可溶性。随后的"3.2 途径优化"证实，仅当同时引入NADPH依赖的细胞色素P450还原酶类似物WrbA并强化MEP途径后，才能检测到羊毛甾醇的产生，说明电子传递和前体供应是途径构建的关键瓶颈。

最引人注目的发现体现在"3.3 耐受性分析"中：虽然正常条件下生长无差异，但LST3菌株在42°C高温下的比生长速率提升3倍，在pH 6.0酸性环境中生物量增加38%，对5 mM H₂
O₂
和300 mM NaCl的耐受性也显著增强。更令人惊讶的是，该菌株对辛酸、己二酸等有机酸以及1,3-PDO、1,4-BDO等工业重要二元醇的耐受浓度均突破现有记录。

"3.4 机制解析"通过SYTOX绿色荧光染色和DPH膜探针实验证实，羊毛甾醇能使细菌膜在辛酸胁迫下保持完整性（渗透细胞减少22%）和适度流动性（微粘度维持在0.180±0.007）。同时，工程菌的膜疏水性(MATH值)降低，ATP含量提升3.3倍，这些改变共同构成了广谱耐受的分子基础。值得注意的是，"3.5 膜特性分析"显示羊毛甾醇的引入不影响内源磷脂的组成比例、链长及饱和度，表明其作用具有高度正交性。

在讨论部分，作者提出羊毛甾醇可能通过三种协同机制增强细菌适应性：① 作为"膜稳定剂"维持双分子层有序结构；② 通过调节ATP酶活性提升能量代谢效率；③ 保护膜蛋白空间构象以保障转运和信号转导功能。这项研究不仅打破了"细菌无法有效利用甾醇"的传统认知，更为工业菌株的逆境耐受改造提供了全新策略——通过引入真核脂质系统而非传统