综述：调节细胞活性以提高微生物细胞工厂效率

《Biotechnology Advances》：Regulating cellular activity to enhance microbial cell factory efficiency

本综述系统探讨了提升微生物细胞工厂（Microbial Cell Factory）效率的核心策略，聚焦于缓解代谢物毒性（如ROS、甲醛）、优化资源分配以减轻代谢负担（涉及RNAP、ATP、NAD(P)H等），以及通过适应性进化、膜工程等手段增强细胞对环境胁迫的抵抗力。文章总结了相关最新进展，旨在为优化细胞活性、提升生产能力和稳定性提供理论指导与实践方案。

　　

Abstract

细胞活性是影响微生物细胞工厂生长、代谢和生产效率的关键决定因素。然而，工业规模的微生物发酵常因代谢物毒性、代谢负担和环境胁迫导致的细胞活性降低而受到限制，这制约了生产力并影响了目标化合物的合成。本综述系统探讨了当代提升细胞活性的策略，重点关注三个方面：（i）减轻底物、中间体和产物的毒性；（ii）优化细胞资源分配和辅因子合成以减少代谢负担；（iii）发展适应性进化技术、筛选耐受靶点、工程化细胞膜以及使用外源保护剂以增强细胞对环境胁迫的抵抗力。文章总结了应对这些挑战的最新进展，旨在提升微生物细胞工厂的生产能力和稳定性。最后，讨论了在改善细胞活性方面持续存在的挑战和未来的研究重点。

Introduction

微生物细胞工厂在可持续生物制造中至关重要，广泛应用于制药、食品、能源和化学工业。长期以来，大量研究主要集中于筛选最优底盘宿主、设计新型合成途径以及通过蛋白质工程增强关键酶活性。然而，细胞生产性能的优化同样关键且不容忽视。微生物细胞工厂的生产效率强烈依赖于细胞活力。细胞活力是指细胞维持基本生命功能的能力，主要体现在代谢活性、能量产生和增殖能力上。该指标通过量化活细胞比例来指示微生物群体的生存状态，从而影响生长速率、代谢途径平衡和资源分配效率。基于此定义，菌株活力需要通过多维参数进行精确量化：生长特性（比生长速率、倍增时间、最大生物量）；代谢状态（葡萄糖消耗速率、细胞内蛋白浓度）；胁迫响应（底物和产物耐受性）；形态指标（细胞形态、死亡率）；以及生产性能（目标产物合成速率）。但在工业应用中，低细胞活性已成为限制生产效率的关键因素。这种细胞活性的下降通常由各种内外因素共同驱动，如代谢物毒性、代谢负担和环境胁迫。

代谢毒性定义为底物、中间体或产物的物理化学或反应特性引起的直接细胞损伤或稳态紊乱（膜破坏、蛋白质失活、活性氧（ROS）积累、pH/离子平衡改变以及辅因子失衡）。例如，当甲醛在细胞内积累到一定水平时，其毒性可诱导活性氧（ROS）的产生，从而损伤DNA、蛋白质和脂质。补充如黄芩苷（BAI）等抗氧化剂可显著改善氧化应激参数，包括超氧化物歧化酶和过氧化氢酶（CAT）的活性以及还原型谷胱甘肽（GSH）的水平，从而减轻ROS诱导的细胞损伤。此外，代谢负担反映了细胞内资源分配的扰动。异源表达和环境干扰通过竞争RNA聚合酶（RNAP）、核糖体、ATP和NAD(P)H，占据了转录和翻译机器、能量和前体，从而限制了宿主生长和天然代谢。研究表明，当代谢负荷超过细胞可用能力时，代谢通量会显著重组。为提高微生物细胞工厂的生产力，研究人员正在探索优化代谢网络和提高化学合成效率的策略。在单细胞水平上，代谢物毒性和负担都会放大细胞间变异性（表达和代谢噪声），并通过生长速率差异进行传播。在波动的氧气或底物供应以及不完美混合条件下，这些单细胞差异在群体水平上积累，产生异质性、质粒不稳定性和非表达亚群，最终降低产量和过程稳定性。随着合成电路规模的扩大，表达噪声可能传播、积累甚至被放大，直接损害电路的准确性和稳定性。此外，外部环境胁迫，如温度波动、氧气限制或pH变化，也能显著影响细胞活性，从而限制生产效率。微生物的环境耐受性可通过调节代谢途径和调控网络来增强。例如，操纵蛋白激酶的表达可以增加酵母细胞的自身絮凝特性，从而增强其对环境胁迫的抵抗力，提高纤维素到乙醇的生产效率。此外，膜完整性的改变已被证明可以增强细胞对特定化学胁迫的耐受性，进而提高生产能力。

合成生物学和代谢工程的最新进展使得能够通过各种策略精确调控细胞活性。这些策略包括重建细胞内代谢途径、开发模块化基因电路、建立细胞内质子中和系统以及将适应性进化与机器学习相结合。这些进展为提升微生物细胞工厂的生产力提供了新的解决方案，推动了生产效能的改进。

本综述探讨了细胞活性如何影响微生物细胞工厂，重点介绍了通过解决代谢物毒性、代谢负担和环境胁迫来增强工业生物生产的最新进展（图1）。同时讨论了增强细胞活性所面临的挑战和未来展望，以期为微生物细胞工厂的优化提供理论指导和实践建议。

Alleviating the toxicity produced by cellular metabolism

维持细胞活力和功能依赖于有效消除代谢物毒性。代谢物毒性源于目标化学生产过程中底物、中间体或产物的积累。这种积累会诱导氧化应激、破坏细胞结构并抑制必需的蛋白质活性，最终降低整体生产能力。为减轻这些毒性效应，研究人员已开展多项努力。

Reducing the metabolic burden on cells

代谢负担现象的特征是由于过度的异源表达或代谢网络复杂性导致的资源竞争和能量稳态破坏，其根源在于细胞资源的有限性。当核糖体机制、ATP池和氧化还原辅因子（NAD(P)H）等核心成分被过度分流至工程化途径时，随之而来的生理影响包括生长迟缓、产物滴度降低和有毒代谢物积累。

Enhancing cell resistance to environmental stresses

在微生物细胞工厂构建过程中，微生物会遇到极端条件，如酸性或碱性培养基、高底物浓度和缺氧，这些条件会破坏细胞内pH平衡、引发渗透胁迫并耗尽能量供应。这些环境胁迫会激活生存途径，将资源从目标产物合成中转移，显著降低生产效率。为克服这些问题，研究重点集中在（i）适应性进化...

Conclusions and perspectives

细胞活性是优化微生物细胞工厂和决定生产效率的关键因素。具体而言，在一碳同化过程中，底物（甲酸盐）和中间体（甲醛）破坏膜完整性和氧化还原平衡，而有机酸/氨基酸损害pH/渗透稳态——共同抑制细胞活性。此外，芳香族化合物和酚酸等有毒化合物会抑制蛋白质功能...

（注：由于原文文档内容在“Enhancing cell resistance to environmental stresses”和“Conclusions and perspectives”部分之后被截断，未能提供完整的章节内容，因此以上归纳总结严格基于已提供的原文内容，未对缺失部分进行杜撰。完整的文章内容需要原文的完整版本来生成不超过3000汉字的详细总结。）