重磅！麦角硫因生产难题被中国研究团队突破了

在现代生物制造领域，天然产物因其抗氧化、抗炎、抗肿瘤等多种生物活性，正在逐渐取代部分传统合成化学品，成为药品、功能食品和化妆品等行业的重要原料来源。

麦角硫因（ergothioneine）和虫草素（cordycepin）便是其中的典型代表，前者以抗氧化和皮肤屏障保护功能见长，后者则在中医药及现代抗癌研究中频频亮相。然而，传统的提取方式不仅产量低，过程也依赖于资源密集型的农业种植或复杂的化学反应，这显然无法满足日益增长的市场需求。

在此背景下，合成生物学和代谢工程提供了全新的解决思路：通过改造微生物，让它们像“细胞工厂”一样高效制造这些高价值天然产物。酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）凭借其安全、可控、基因背景清晰等优势，成为理想的宿主细胞。但构建一株高产的工程菌株，并非易事。

科学家们发现，仅靠单个拷贝的目标基因往往不足以支持高效合成，必须通过多拷贝整合提升酶的表达水平，进而提高产物得率。然而，传统的多拷贝整合技术操作复杂、效率不高，还需要依赖PCR、测序和高效液相等手段逐个验证克隆，既耗时也费力。

为解决这一瓶颈，来自大连赛姆生物工程技术有限公司的研究团队开发出一套名为“IMIGE”的新系统（Iterative Multi-copy Integration by Gene Editing）。

技术拆解

该系统基于CRISPR/Cas9基因编辑技术，并结合酵母基因组中的δ序列和rDNA序列这两类天然重复元件，构建了一个高效、快速、可迭代的多拷贝整合平台。研究人员发现，这两类序列在酿酒酵母基因组中分别存在数百次，是天然的整合热点位点。以往研究多单独利用其中之一，而IMIGE系统实现了δ和rDNA位点的联合利用，大大扩展了可整合的“土地”，提高了目标基因的驻留空间。

除了整合位点的创新，IMIGE系统在操作流程上也做了精巧设计。传统方法往往需要将完整的外源基因表达盒通过体外组装好后再导入酵母，而IMIGE系统采用“片段化+同源重组”的策略，把大于8kb的DNA表达盒切分成3段，每段长度控制在5kb以内，借助酵母自身极强的重组能力在细胞内自动拼接完成，省去了繁琐的体外构建步骤。

同时，该系统引入了“营养缺陷补偿筛选”机制，即利用一个弱启动子控制的营养基因（如MET17），只有高拷贝整合者才能在营养缺失的培养基上良好生长。通过这种基于生长表现的筛选方式，研究者无需再逐个挑克隆或进行基因验证，仅需观察菌落生长速度，即可筛选出高效表达的工程株。

IMIGE系统的强大功能也在实验中得到了验证。研究团队以麦角硫因为目标产物，构建出一株表达量为8拷贝的工程酵母，仅需一次筛选，即可将产量提升至67.63 mg/L，相比传统质粒表达提升超过160%。

进一步在该基础上采用可诱导表达系统，通过在适当阶段添加诱导剂启动基因表达，最终实现了麦角硫因产量的再次飞跃，达到105.31 mg/L，是质粒表达的4倍以上。这一策略不仅显著提高了产量，也避免了因高拷贝表达造成的细胞代谢负担，从而兼顾了“产量”和“活力”。

除了麦角硫因外，研究者也将该系统用于合成虫草素。在两轮迭代筛选后，构建出的工程菌株虫草素产量提升至62.01 mg/L，相比传统表达提高了222%。

值得一提的是，由于虫草素对酵母细胞具有一定毒性，研究人员特别使用诱导型表达系统来控制关键酶的表达时机，避免了因产物积累过快造成的细胞损伤。这一设计体现了工程菌株构建中对“时机”和“剂量”的精准控制需求，也显示出IMIGE系统的灵活可调性。

值得关注的是，这些高产工程株在遗传稳定性方面也表现良好。在不添加筛选压力的连续传代实验中，8拷贝的麦角硫因合成菌株在48小时内保持了稳定的基因拷贝数与产率，远优于传统质粒表达体系在长期培养中的丢失风险。

新美学评析

总的来看，IMIGE系统通过精准、高效、可迭代的设计理念，打通了多拷贝整合的技术瓶颈，让构建高表达酿酒酵母工程菌变得更加简便、经济且可规模化。这不仅为麦角硫因和虫草素等高值天然产物的生物制造提供了新思路，也为合成生物学领域开发更多微生物“细胞工厂”奠定了方法学基础。

随着IMIGE系统的不断优化与自动化技术结合，或将成为下一代工业微生物育种的重要工具，为绿色、高效的生物制造产业打开新局面。