综述：减毒的铜绿假单胞菌菌株：用于生产鼠李糖脂的理想细胞工厂

《Microbial Biotechnology》：Attenuated Strains of Pseudomonas aeruginosa: A Promising Cell Factory for Rhamnolipid Production

基因工程改造的铜绿假单胞菌（PGN系列）作为安全生物工厂用于工业级拉曼脂质生产，通过删除毒力基因（如toxA、plcH、phzM等）消除致病风险，同时保留核心代谢和合成能力。本文系统综述了PGN菌株的基因组特性（核心基因组稳定性与辅助基因组可塑性）、代谢多样性（利用多种碳源如植物油、糖蜜等），以及优化生产工艺的策略（如调控QS系统、删除竞争代谢途径基因）。研究证实，脱毒PGN5菌株在摇瓶和生物反应器中均能高效产拉曼脂质（达1.22 g/L），且与PAO1野生株产量无显著差异。拉曼脂质在工业中可用于环保型表面活性剂、生物修复剂及药物递送载体，但其规模化生产仍需解决代谢调控机制和下游纯化工艺优化问题。

　　在当今环保意识日益增强的背景下，生物可降解化合物作为一种替代石油基表面活性剂的绿色选择，正逐渐受到关注。其中，鼠李糖脂因其广泛的工业和科研应用而备受青睐。然而，尽管这些生物活性物质具有巨大的潜力，其生产过程中的宿主选择却面临挑战。通常情况下，*Pseudomonas aeruginosa* 是鼠李糖脂的主要生产菌株，其强大的遗传可塑性和代谢多样性为生物工程改造提供了广阔空间。然而，*P. aeruginosa* 本身携带多种致病因子，可能对免疫系统受损的个体造成严重疾病，因此在大规模工业发酵过程中存在一定的生物安全风险。这促使研究人员探索其他非致病菌株作为异源宿主，通过基因工程手段实现鼠李糖脂的高效生产。同时，一些实验室已开发出经过遗传改造的 *P. aeruginosa* 菌株，以减少其致病性并保留其代谢能力，从而在生物安全的前提下实现工业生产目的。

*P. aeruginosa* 的基因组结构为生物工程改造提供了坚实的基础。该菌株的基因组大小约为 5.5 到 7 百万碱基对，包含 4000 到 7000 个开放阅读框（ORFs），这使其具有高度的遗传可变性和代谢多样性。这种基因组的可塑性不仅体现在其核心基因组的保守性，还体现在其“辅助基因组”中，这些基因组区域包含移动遗传元件，如整合子、转座子、基因岛、噬菌体成分和质粒，这些结构为基因插入和删除提供了可操作的平台。通过这种方式，研究人员可以对 *P. aeruginosa* 进行精确的基因编辑，以调整其代谢路径和调控机制，从而优化鼠李糖脂的生产效率。此外，该菌株的基因组还表现出对环境的适应能力，能够在不同条件下进行基因表达的调节，使其成为一种高效的细胞工厂。

在代谢层面，*P. aeruginosa* 显示出极强的灵活性，能够利用多种碳源进行代谢活动。这种代谢多样性使其能够在不同环境中维持自身的生长和功能。例如，当菌株处于生长后期的静止期时，其代谢路径会发生变化，从而促进鼠李糖脂的合成。这种由生长阶段决定的代谢调控机制使得 *P. aeruginosa* 能够在资源有限的条件下，依然维持高效的代谢活性。同时，该菌株的代谢能力还与它的基因调控系统密切相关，尤其是其淬灭感应（quorum sensing）系统，能够感知细胞密度并调控基因表达。这种系统不仅影响鼠李糖脂的合成，还对其他代谢产物如藻酸盐和磷脂的生产起到重要作用。通过基因工程手段，可以调控这些系统的活性，以增强鼠李糖脂的合成效率。

鼠李糖脂的合成涉及一系列复杂的代谢路径和调控机制。在 *P. aeruginosa* 中，鼠李糖脂的生产主要依赖于脂肪酸合成（FAS）路径和糖代谢路径的协同作用。这些路径的协调工作使得菌株能够在特定的碳源和环境条件下，高效地合成鼠李糖脂。此外，鼠李糖脂的合成还受到多种环境因素的影响，如碳氮比、pH 值、温度和营养成分等。因此，优化这些因素对于提高鼠李糖脂的产量和纯度至关重要。例如，一些研究表明，在特定的碳氮比和 pH 条件下，鼠李糖脂的产量显著提高，这为工业生产提供了重要的参考。

尽管 *P. aeruginosa* 是鼠李糖脂的高效生产者，但其致病性仍然是一个不可忽视的问题。因此，研究人员提出了使用经过遗传改造的 *P. aeruginosa* 菌株作为安全的细胞工厂。通过删除某些致病基因，这些菌株在保留其代谢能力的同时，也降低了其致病性。例如，某些经过改造的菌株在小鼠感染模型中表现出较低的致病性，但仍能高效地合成鼠李糖脂。这种基因编辑策略不仅能够确保生产过程的安全性，还能通过基因工程手段进一步优化其生产性能。通过这些方法，研究人员已经成功构建了多种安全的菌株，这些菌株在工业生产中展现出良好的应用前景。

在实际应用中，鼠李糖脂具有多种功能，包括作为生物降解剂、表面活性剂和植物生长促进剂等。特别是在石油和农业领域，鼠李糖脂的应用尤为广泛。它能够有效降解污染的土壤和水体中的原油和重金属，从而在环境修复方面发挥重要作用。此外，鼠李糖脂的高表面活性使其在乳化和润湿方面表现出色，能够替代传统合成表面活性剂。同时，它还具有潜在的生物医学应用，例如作为药物和疫苗的递送载体，能够在特定条件下促进药物的吸收和分布。

为了进一步提高鼠李糖脂的产量和纯度，研究人员还在探索其他非致病菌株作为异源宿主的可能性。例如，*Pseudomonas putida* 因其低致病性而成为鼠李糖脂生产的候选宿主。然而，*P. putida* 的基因组中缺乏鼠李糖脂合成所需的基因，因此需要通过基因工程手段将其引入。此外，*E. coli* 也被尝试作为异源宿主，但由于其代谢路径与 *P. aeruginosa* 存在差异，导致鼠李糖脂的产量较低。因此，寻找能够高效合成鼠李糖脂的非致病菌株仍然是一个重要的研究方向。

在生物工程实践中，研究人员还开发了多种基因编辑工具，如自杀质粒、同源重组和 CRISPR 技术，以实现对 *P. aeruginosa* 的基因组改造。这些技术能够精确地删除或插入特定基因，从而调控其代谢路径和表达水平。通过这些方法，科学家们已经成功构建了多种安全且高效的菌株，这些菌株在保持其核心代谢能力的同时，显著降低了致病性。例如，某些经过基因编辑的菌株不仅能够高效合成鼠李糖脂，还能够利用多种碳源，如废弃油、甘油和植物油等，从而提高生产效率。

此外，研究人员还发现，某些非 *Pseudomonas* 的菌株，如 *Serratia rubidaea* 和 *Geobacillus stearothermophilus*，也能够合成鼠李糖脂。这表明鼠李糖脂的合成不仅限于 *P. aeruginosa*，其他微生物也可能具有类似的潜力。然而，这些菌株的产量通常较低，因此，如何提高其合成能力仍然是一个挑战。

总体而言，鼠李糖脂作为一种具有广泛应用前景的生物活性物质，其生产潜力巨大。然而，为了实现大规模工业应用，必须解决其致病性问题，同时优化其代谢路径和调控机制。通过遗传工程手段，研究人员已经取得了显著进展，构建了多种安全且高效的菌株，这些菌株在保持其核心代谢能力的同时，能够实现鼠李糖脂的高效生产。未来的研究将继续探索这些菌株的进一步改造，以提高其生产效率和纯度，从而满足工业和生物医学领域的多样化需求。