近日，华东理工大学生物工程学院王冠副教授团队在工业微生物生长调控机制与高性能细胞工厂设计领域取得重要研究进展。相关成果发表于国际权威学术期刊《自然—通讯》。
酿酒酵母是生物制造领域最重要的工业微生物之一，广泛应用于燃料乙醇、食品发酵、生物基化学品及重组蛋白生产。厌氧发酵具有无需供氧、工艺简单、产物转化效率高等优势，是现代工业生物制造的重要生产模式。然而，长期以来，酿酒酵母在厌氧条件下的最大生长速率显著低于有氧条件，决定其生长上限的关键限制因素及其协同作用机制仍缺乏系统认识。
针对这一问题，研究团队构建了碳源限制、氮源限制和磷源限制三种严格厌氧连续培养体系，结合代谢流分析、转录组学、蛋白质组学、磷酸化蛋白组学和代谢组学等技术，系统解析了不同营养限制条件下酿酒酵母的生长约束机制。
研究发现，在三种营养限制条件下，酿酒酵母均表现出约14 mmol/gDW/h的最大葡萄糖摄取速率，表明其底物利用能力存在共同的生理边界。然而，不同营养条件下限制细胞进一步生长的关键因素并不相同：碳源和磷源限制条件下主要受ATP供给能力约束，并且后者核糖体大小亚基比例严重失衡，而氮源限制条件下则主要受氨酰-tRNA合成酶不足导致的蛋白翻译能力限制。进一步研究表明，能量代谢与蛋白翻译构成相互耦合的协同调控体系，共同决定酿酒酵母厌氧生长速率上限。随着生长速率提高，细胞优先将有限蛋白资源配置于核苷酸代谢、氨基酸代谢和核糖体合成等生物合成功能；同时通过蛋白质磷酸化调控关键代谢酶活性，以较低资源投入维持糖酵解通量和能量稳态。其中，氮源限制条件下表现出最显著的磷酸化补偿调控现象，体现了细胞对翻译压力的适应机制。
基于上述发现，研究团队提出并验证了“推-拉”协同代谢工程策略：通过增强液泡ATP酶亚基VMA3表达提升能量供给能力，同时强化色氨酸-tRNA合成酶WRS1表达提高蛋白翻译能力。该策略成功突破细胞天然生长约束，使酿酒酵母在碳源、氮源和磷源限制条件下的最大厌氧生长速率分别提高27.2%、47.5%和52.5%，并显著提升乙醇生产性能。
该研究揭示了能量供给与蛋白翻译协同决定酿酒酵母厌氧生长上限的基本规律，阐明了不同营养限制条件下细胞生长受限的核心机制，并证明微生物最大生长速率能够通过协调优化能量代谢与翻译效率实现定向提升。研究成果为高性能工业菌株理性设计提供了新的理论依据和工程策略，对生物制造与工业发酵过程优化具有重要意义。
华东理工大学生物工程学院博士生王勇博、硕士生黄雨为论文共同第一作者，王冠副教授为论文通讯作者。研究工作得到了庄英萍教授的悉心指导。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金、山东省泰山学者青年专家项目、上海市基础研究“探索者”计划和江苏省科技重大专项等项目资助。
