综述：合成生物学工具在改善人乳成分生产中的开发与应用

这篇综述系统阐述了合成生物学工具（CRISPR-Cas、GEMs、基因电路等）在构建微生物细胞工厂生产人乳成分（HMOs、乳铁蛋白、DHA等）中的前沿进展，重点探讨了基因编辑技术、代谢网络模型和动态调控策略如何突破传统生产瓶颈，为婴幼儿配方食品的精准营养设计提供新范式。

　　

基因编辑工具：从传统到创新的突破

传统基因编辑依赖同源重组（HR）和λ-red系统，而新型CRISPR-Cas技术通过Cas9/dCas9/nCas9实现精准编辑。CRISPR-Cas12（Cpf1）因其粘性末端和低脱靶效应成为新宠，而碱基编辑器（CBEs/ABEs）和Prime Editing则能实现单碱基修改。值得注意的是，非模式菌株如链霉菌仍依赖传统HR工具，凸显技术适配性的挑战。

代谢模型与AI：智能驱动的细胞工厂设计

基因组尺度代谢模型（GEMs）如iML1515和Yeast 9通过动态通量平衡分析（FBA）预测关键代谢节点。机器学习（ML）通过β-VAE等算法解析多组学数据，例如GPT-4加速了耶氏酵母的代谢路径挖掘。混合模型成功将色氨酸产量提升3倍，但AI预测精度仍需提高。

基因电路：动态调控与高通量筛选的利器

生长解耦电路（如群体感应QS系统）和反馈环路能平衡细胞生长与产物合成。生物传感器（如基于glmS核酶的RNA传感器）将代谢物浓度转化为荧光信号，实现2'-FL（2'-岩藻糖基乳糖）的高通量筛选。近期研究通过温度响应电路使2'-FL产量提升159.5%，而乳糖响应电路则优化了葡萄糖底物利用。

HMOs生产：从克级到百升级的飞跃

2'-FL和3-FL通过FutC/FutA转糖基酶合成，最高效价分别达121.9 g/L和52.1 g/L。唾液酸化乳糖（3'-SL/6'-SL）依赖α-2,3/2,6-唾液酸转移酶，通过UDP-GlcNAc途径实现56.8 g/L产量。核心结构LNT和LNnT经lgtA/lgtB修饰后，在1000L反应器中突破107.4 g/L，其免疫调节功能为婴儿配方开发提供新思路。

乳蛋白与功能脂质：细胞工厂的绿色革命

乳铁蛋白（HLF）在毕赤酵母中达5.4 g/L，比传统畜牧减少87%土地使用。DHA通过Schizochytrium的PKS途径实现17.01 g/L，而Mortierella alpina生产的ARA（4.4 g/L）成为FDA认证的神经发育营养素。

维生素合成：从前体到活性形式的转化

β-胡萝卜素在解脂耶氏酵母中创39.5 g/L纪录，经RALPH酶转化为视黄醇（5.4 g/L）。维生素D₃前体7-DHC通过改造酵母甾醇通路达5.1 g/L，紫外转化后满足婴幼儿骨骼发育需求。

挑战与展望：合成生物学的未竟之路

AI预测准确性、非宿主基因编辑工具开发、产业级产量提升和生物安全性（如脑膜炎球菌基因的应用）仍是关键瓶颈。未来需建立跨学科标准，推动合成生物学从实验室走向产业化。