Expanding the flavonoid production in Acinetobacter baylyi ADP1 from lignin-derived aromatics

植物是大师级的化学家，不断地创造出复杂的分子来保护自己免受阳光伤害、抵御感染并赋予它们色彩。在这些化学创造物中，黄酮类化合物（flavonoids）是一个多样化的化合物家族，广泛存在于水果、蔬菜和花卉中。长期以来，人类一直看重这些物质的潜在健康益处，将其用于食品、药物和化妆品中。几十年来，获取黄酮类化合物的主要方法是从植物中提取或在实验室中从头合成。这两种方法都有显著的缺点：从农作物中提取往往效率低下且受季节限制，而化学合成则可能成本高昂且对环境造成负担。

近年来，科学家们转向了被称为“微型活工厂”的微生物来生产这些化合物。通过将植物基因插入细菌或酵母，研究人员可以编程这些细胞来制造特定的黄酮类化合物。然而，大多数微生物工厂是以简单的糖类（如葡萄糖）为食。要将糖转化为黄酮类化合物，微生物必须首先从头构建一个复杂的芳香环结构，这个过程需要许多遗传步骤并消耗大量的细胞能量。这使得过程变得漫长且难以控制。一种更直接的方法是向微生物提供它们所需的芳香族构建模块，从而绕过初始的构建阶段。自然界在木质素（一种赋予树木刚性的坚韧木质聚合物）中大量提供了这些模块。当木材被分解时，会释放出一系列在化学性质上与植物制造黄酮类化合物的前体非常相似的芳香族化合物。挑战在于寻找一种既能食用这些坚硬的芳香族化合物，又能耐受分解木材时的恶劣条件，同时又易于进行生产工程改造的微生物。

芬兰坦佩雷大学的一个研究小组通过利用一种名为 Acinetobacter baylyi ADP1 的细菌成功解决了这一挑战。与此类研究中常用的普通实验室细菌不同，这种生物天生就拥有消耗木材中各种芳香族化合物的机制。研究人员试图探索是否可以利用这种天然能力，将木材衍生的材料直接转化为有价值的黄酮类化合物。他们的目标是创建一个单一的微生物平台，只需通过改变提供的木材衍生“食物”，即可生产不同类型的黄酮类化合物，而无需为每种新产品重新改造细菌的遗传代码。

团队首先测试了能否让细菌生产同理异黄酮（homoeriodictyol），这是一种常用于食品和医药中的特定黄酮类化合物。这种分子通常由一种称为阿魏酸（ferulate）的前体制成。研究人员首先尝试调整细菌现有的酶以接受阿魏酸，希望通过微小的遗传调整使细胞能够处理这种新成分。他们修改了负责构建黄酮结构的酶的特定部分，但这些改变并未奏效；细菌无法生产出目标分子。意识到微调是不够的，研究人员转变了策略。他们不再修改现有的酶，而是寻找另一种来自不同植物物种、且天然能够处理阿魏酸的酶版本。他们在一种名为 Stenoloma chusanum 的植物中找到了匹配项。当他们用这种新的植物酶替换原有的细菌酶时，细菌立即开始生产同理异黄酮。这一发现强调了一个关键原则：有时最有效的解决方案不是强迫现有的工具去做一项新工作，而是找到一个已经为此设计的工具。

在建立了这种新的酶组合后，研究人员优化了生长条件以最大化产量。他们发现，当喂食适量的前体并在特定温度下生长时，细菌的表现最佳。在这种条件下，细菌在烧瓶中生产了每升 3.7 毫克的同理异黄黄酮。但团队并未止步于此。他们想看看这种设置是否也能生产其他黄酮类化合物。他们在培养物中引入了另一种芳香族化合物——咖啡酸（caffeate）。令人惊讶的是，完全相同的细菌菌株、完全相同的遗传设置，竟然切换了模式，开始生产另一种名为艾里奥迪克替醇（eriodictyol）的黄酮类化合物。在这种情况下，细菌的产量达到了每升 24.2 毫克，明显高于之前的水平。这证明了细菌的产出完全取决于它所摄取的食物。如果喂食阿魏酸，它就制造一种产品；如果喂食咖啡酸，它就会制造另一种。

为了在更现实的条件下测试该系统，研究人员将细菌转移到了生物反应器中——这是一种用于工业规模发酵的大型容器。他们向细菌喂食了三种在木材中发现的芳香族化合物的混合物：阿魏酸、咖啡酸和对香豆酸（p-coumarate）。细菌成功地将这锅“混合汤”转化成了三种不同黄酮类化合物的混合物。虽然由于不同途径之间存在资源竞争，总产量低于喂食单一成分的情况，但结果证明该系统可以处理复杂的混合物。这至关重要，因为现实世界中的木材废料从来不是单一的纯化学物质，而是一种复杂的混合物。

最后，团队使用实际的工业副产品测试了该系统。他们取用了麦秆和一种经过处理的木材——有机溶剂木质素（organosolv lignin），用化学方法对其进行分解，并收集了所得液体。这种被称为碱处理液（alkaline pretreated liquor）的液体含有天然的芳香族化合物混合物，但也含有许多对大多数细菌具有毒性的杂质。研究人员将这种复杂的液体添加到细菌培养物中。尽管处于混乱且具有挑战性的环境中，细菌依然茁壮成长并生产了黄酮类化合物。他们成功地将麦秆和木质素液中发现的化合物转化为目标分子，证明该系统不仅能在实验室中使用纯化学品，而且适用于实际的木材和农业废弃物流。

研究结论指出，Acinetobacter baylyi ADP1 是一个高度通用的可持续制造平台。通过利用该细菌食用芳香族化合物的天然能力，研究人员绕过了让细菌从头构建这些结构的需要。这种方法实现了一个灵活的生产系统，其中最终产物由原料决定。如果一个工厂拥有某种木材衍生化学品的过剩供应，细菌就可以通过喂食该物质来制造一种特定的黄酮类化合物；如果供应发生变化，同样的细菌可以被喂食另一种化学物质来制造另一种产品，而无需进一步的基因工程改造。这项工作建立了木质素（一种通常被焚烧作为燃料的材料）的价值化利用与高价值天然产物生产之间的直接联系，为构建更加循环和高效的生物经济提供了一条充满前景的路径。