综述：工程化细菌细胞形态以设计稳健的细胞工厂

《Biochemistry and Biophysics Reports》：Engineering bacterial cell morphology for the design of robust cell factories

这篇综述系统探讨了通过物理、化学和遗传手段调控细菌形态（如丝状菌的L-形式转化）以优化工业生产的策略，重点解析了细胞壁合成（PG）、分裂机制（FtsZ/MreB）和形态决定基因（如matAB ）的工程化潜力，为克服多细胞微生物（如链霉菌）在发酵中的黏度、氧传递限制提供了创新方案。

　　

引言

微生物在工业生产中广泛应用于高价值生化产物的合成，如抗生素、抗癌药物和酶类。然而，天然细菌形态往往不适合工业环境，尤其是丝状细菌的复杂结构会引发培养黏度高、氧传递受限等问题。近年来，通过工程化细胞形态提升生产效率的策略逐渐成为研究热点。

形态调控机制

细菌形态由细胞壁决定，肽聚糖（PG）合成由SEDS转糖基酶和bPBP转肽酶协同完成。单细胞细菌中，MreB系统调控细胞延伸，FtsZ调控分裂；而多细胞链霉菌通过DivIVA蛋白介导的顶端生长形成菌丝网络。值得注意的是，许多形态决定基因（如ftsZ
）是必需的，这限制了传统基因编辑手段的应用，CRISPRi等工具为此提供了解决方案。

形态与工业生产的关联

链霉菌的菌丝易聚集成团（pellet），尺寸超过200μm时会阻碍营养吸收。有趣的是，pellet形成对某些代谢物（如尼可霉素）生产有益，但会抑制酶类合成。通过删除胞外多糖合成基因matA/matB
或激活分裂促进蛋白SsgA，可显著改善菌丝分散性，使酪氨酸酶产量提升60%。

工程化策略

物理方法：添加微/纳米颗粒（如玻璃珠）能破碎pellet，使放线菌素产量提高85%；有机纳米纤维则作为支架促进菌丝扩展。化学方法：改变培养基渗透压或添加带电聚合物（如junlon）可抑制菌丝聚集。遗传方法：调控双组分系统（如Sco5282激酶）或通过定向进化筛选非聚集突变株，均能优化形态。

单细胞细菌的形态工程

在E. coli
中过表达分裂抑制蛋白SulA可形成丝状细胞，显著提升聚羟基脂肪酸酯（PHA）积累。蓝细菌Synechococcus elongatus
通过修饰Min系统实现细胞长度从微米级到近毫米级的跨越，便于收获。

L-形式的革命性潜力

L-形式细菌无需细胞壁即可增殖，为彻底重构形态提供了可能。例如，删除链霉菌L-形式的divIVA
后，可尝试引入Corynebacterium glutamicum
的分裂机制，将其转化为单细胞形态。这种“底盘替换”策略不仅能解决工业发酵难题，还可能提升疏水性代谢物（如抗生素）的产量。

结论

形态工程正成为代谢工程的重要补充，而L-形式技术为突破现有局限提供了全新思路。未来研究需聚焦于非必需基因网络的系统性替换，以及合成形态在复杂环境中的稳定性验证。这一领域的发展或将重新定义微生物工业生产的边界。