近日，微生物代谢全国重点实验室鲁洪中团队和南京大学黄小强团队联合在国际期刊《Nature Communications》发表了题为“Integrating microbial cell factory with new-to-nature photobiocatalysis for de novo biosynthesis of D-homotryptophan”的研究论文。该研究创新性地将微生物细胞工厂与非天然光生物催化反应相整合，通过模块化设计策略，成功构建了光驱动微生物细胞工厂，实现了非天然氨基酸D-高色氨酸的从头合成。这一成果为未来非天然产物的生物制造提供了全新平台。南京大学博士研究生郭之旗和上海交通大学博士研究生高庚荣为论文的共同第一作者，黄小强教授与鲁洪中副教授为共同通讯作者，本室为第二通讯单位。
【痛点】当“生物制造”遇上“光化学”的鸿沟
非天然氨基酸是创新药物开发、生物材料合成和蛋白质工程的重要基石。传统微生物细胞工厂虽然光绿色可持续，但受限于天然酶的催化特异性，难以高效合成结构多样的非天然产物。近年来，光生物催化技术通过光氧化还原与酶催化的协同，极大拓展了酶的化学反应边界，能够介导自然界中不存在的C-C键重排等新型反应。然而，这类新光酶反应被放入活细胞后，与微生物内源代谢网络无缝衔接面临着重重挑战。光催化通常需要严格厌氧环境，而微生物发酵往往依赖好氧条件。异源酶的表达会给细胞带来沉重的代谢负担，而直接喂养化学合成的非天然前体成本又极高昂。如何让“光”与“细胞”跨越时空障碍、实现高效协同，成为生物制造领域亟待破解的难题。
【破局】模块化解耦：实现好氧发酵与厌氧光催化的协同
针对上述核心矛盾，研究团队并未试图在同一个细胞或反应器内强行兼容这两种冲突环境，而是采用模块化解耦策略，从系统设计出发，将整个合成路径拆解为两个在时间与空间上独立、功能上互补的模块，并分别进行了深度优化与整合。
好氧发酵模块：高效合成关键光催化前体
该模块旨在好氧条件下，利用大肠杆菌合成非天然光催化反应的必需前体——吲哚-3-乙酸（IAA）。为突破IAA底物L-色氨酸的供应瓶颈，团队系统改造了大肠杆菌的芳香族氨基酸代谢网络。通过敲除竞争性代谢途径（pheA、tyrA）及色氨酸降解基因（tnaA），并过表达trpEDCBA基因簇，成功将碳通量重新定向。同时，创新性地引入生长响应型启动子Pflic，在稳定期动态互补酪氨酸合成，有效缓解了敲除tyrA导致的菌株生长缺陷，实现了生物量与产物合成的平衡。工程菌株的L-色氨酸产量达到506.72 mg/L，为后续IAA合成提供了充足的底物供应。
在获得L-色氨酸高产底盘后，进一步引入异源吲哚乙酰胺（IAM）代谢途径，并在基因组多个中性位点整合额外的tms2酰胺水解酶基因，大幅提升了限速步骤的催化效率。经此改造，工程菌株的IAA产量提升至906.13 mg/L的，为后续光催化反应提供了充足的前体。
图1 异源表达IAM途径及多拷贝策略改善IAA的合成
厌氧光催化模块：精准合成非天然氨基酸
该模块的核心任务是在厌氧光照条件下，利用全细胞催化剂将IAA转化为目标产物D-高色氨酸。研究团队首先对多种色氨酸合酶（TrpB）突变体及光敏剂进行系统评估，确定了最优催化组合（PfTrpB7E6酶与RhB光敏剂）。在蓝光照射下，该体外光催化体系展现出66%的高产率和优异的立体选择性（96:4 e.r.）。随后，在严格厌氧与蓝光照射条件下以发酵获得的IAA粗提液作为底物，采用表达PfTrpB7E6的大肠杆菌作为全细胞光催化剂，成功实现了D-高色氨酸的合成。在最优条件下，该体系在30 h产生了299.75 mg/L的D-高色氨酸。经过100 mL规模的体系验证，成功证实了从微生物发酵到光催化合成全流程的可行性与可放大性。
图2 模块化光驱动细胞工厂实现D-高色氨酸的从头合成
【总结与展望】
该研究通过创新的模块化设计，在系统层面成功实现了好氧微生物发酵与厌氧光生物催化两个原本不兼容过程的高效协同。这一突破不仅打破了天然酶催化功能的限制，更验证了在原子和电子层面对生物催化反应进行精准调控的可行性，为非天然化合物的高效、绿色生产提供了一个高适配与可拓展性的新平台。未来，该模块化策略有望赋能更多高附加值非天然化合物的生物合成，在医药、精细化工及生物材料等领域展现出广阔的发展前景。
该研究工作得到了国家重点研发计划（2022YFA0913000）、国家自然科学基金（22277053，22208211和22378263）、中央高校基本科研业务费专项基金项目等项目的支持。
【课题组介绍】
鲁洪中课题组长期从事高精度数字细胞模型构建，破译基因型 表型关系，解析生命运作规律；开发细胞工厂精准设计算法，实现BT和IT技术的深度结合，以期解决细胞代谢全局可预测、菌株理性改造等合成生物学领域的关键问题与挑战（https://life.sjtu.edu.cn/teacher/luhongzhong）。相关成果以一作或通讯作者发表于PNAS (2025a，2025b)、Nat. Commun.（2019，2026a，2026b）、Mol. Syst. Biol.、Metab. Eng.和Trends Biotechnol.等国际知名期刊。
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