合成生物学+材料设计助力可持续生物制造：光驱动微生物群落利用CO2高效合成高值化学品

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2025-07-30

导读：近日，南京工业大学姜岷教授团队与新加坡合成生物学联合会主任、新加坡国立大学教授Matthew Wook Chang团队合作，在光驱动微生物群落的可持续生产领域取得了重要进展

合成生物学+材料设计助力可持续生物制造：光驱动微生物群落利用CO₂高效合成高值化学品

近日，南京工业大学姜岷教授团队与新加坡合成生物学联合会主任、新加坡国立大学教授Matthew Wook Chang团队合作，在光驱动微生物群落的可持续生产领域取得了重要进展，相关成果以《Sustainable Production through Spatial Niche Partitioning in Engineered Light-Driven Microbial Community》为题，发表于国际权威期刊《Metabolic Engineering》。

菌藻共生体系可实现直接将CO₂转化为高附加值化学品，在绿色生物制造和双碳战略目标实现中发挥重要作用。然而，在实际的共培养体系中，不同微生物之间常因养分竞争、生长代时不同导致菌群结构失衡，进而影响目标化学品得率和系统稳定性。

针对这一难题，研究团队受到自然生态系统中微生物群落“空间有序隔离”且稳定共存现象的启发，结合生物活体材料介入手段，创新性地提出了空间分隔微环境的构建策略。具体而言，团队利用微流控技术制备出核壳结构的微凝胶活体材料，将基因编辑的蓝藻（Synechococcus elongatus FL130）与酵母（Meyerozyma guilliermondii）物理隔离，减少两者养分和生存空间竞争，提升菌群的稳定性和可控性。在此基础上，研究人员进一步将微凝胶作为“生物墨水”，通过3D打印技术构建出生物活体材料支架，用于生物制造体系。

这不仅实现了对微生物空间分布和比例的精准调控，还增强了体系的机械强度和可复用性。在这一空间分隔的微环境中，蓝藻高效固碳并转化为蔗糖，随后由酵母将蔗糖进一步合成为2-苯乙醇、酪醇等高值化学品。

研究结果显示，该策略实现了菌群的长期稳定共存，并显著提升了苯乙醇和酪醇等高值化学品的产量。体系还具备良好的工业可扩展性和经济效益，可多次循环利用，展现出较强的产业化潜力。此外，该平台采用“即插即用”模式，能够灵活更换下游菌株，适用于多种高值目标产物的绿色制造。

该文通讯作者为南京工业大学章文明和信丰学教授、新加坡国立大学Foo Jee Loon助理教授；第一作者为南京工业大学博士毕业生、新加坡国立大学Research Fellow高豪。