近期，我校生物工程学院饶志明教授团队张显教授课题组在期刊《Biotechnology Advances》（IF =14.1）发表题为“Recent advances in balancing the growth-production trade-off in Bacillus subtilis: A systematic resource reallocation perspective”的综述论文。该研究从细胞资源系统性再分配的视角，系统总结了枯草芽孢杆菌中因异源合成导致的生长与生产之间的内在资源权衡，也为高性能工业菌株的理性设计、发酵过程优化和合成生物学工具开发提供了重要参考。
枯草芽孢杆菌是典型的革兰氏阳性工业底盘菌，具有遗传背景清晰、安全性较高、蛋白分泌能力强等优势，在工业酶、医药蛋白、农业生物制剂等高价值生物制品生产中具有重要应用潜力。然而，在实际细胞工厂构建过程中，目标产物的高效合成往往会与细胞生长、能量供给、蛋白质组分配和应激防御之间形成竞争关系。传统策略多依赖强启动子驱动的静态过表达，但这类方法容易造成代谢负担加重、核糖体与转录资源被挤占、细胞生长受抑，甚至出现“高表达、低产量”的现象。
该综述未仅从单一基因改造或单条代谢通路优化角度讨论产量提升，而是将枯草芽孢杆菌视为一个具有有限资源的“微观经济体”。在这一框架下，细胞蛋白质组被理解为有限的生产资料，需要在核糖体部门、代谢部门、生产部门和生存部门之间进行分配。当异源蛋白表达或目标产物合成过度扩张时，不仅会消耗碳流和能量，还会占用转录、翻译和折叠分泌资源，进而引发所谓的“蛋白质组挤压”效应。文章进一步指出，枯草芽孢杆菌的代谢负担并不是简单的资源消耗问题，而是会通过全局调控网络引发生理反馈。例如，CodY作为能量和营养状态感知相关调控因子，可响应GTP/ATP等信号变化；Spo0A则与芽孢形成、生物膜装配和生存程序启动密切相关。当生产压力过高时，细胞可能将资源从目标产物合成转向应激、防御或生存相关过程，形成“生产受限—生长受抑—资源错配”的负反馈循环。这一分析为理解为什么某些删除生存相关基因、调节全局转录网络或优化资源分配策略能够提高产量提供了理论解释。
在工程策略方面，文章系统梳理了多层级资源调控方法，包括分子伴侣工程、基因组简化、表达元件适配、正交表达系统、动态调控、过程耦合和整合建模等。其中，动态解耦是重要策略。与持续高强度表达不同，动态调控强调根据细胞生长阶段、营养状态或群体密度变化，适时切换“优先生长”和“优先生产”模式。此外，文章还强调了蛋白质组约束模型和数据驱动建模在未来菌株设计中的应用前景。传统代谢工程更多关注代谢通量分配，而资源分配视角则进一步关注“表达这些通路需要消耗多少蛋白质组成本”。这意味着未来的枯草芽孢杆菌底盘设计将不再只是追求某个通路的最大通量，而是需要综合考虑能量、还原力、核糖体、转录机器、分泌系统和应激响应之间的整体平衡。
张显教授为论文通讯作者，生物工程学院25级博士王玉珏为论文第一作者。本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：32571709）、江苏省前沿技术研究计划（BF2024012）、江南大学国家重点实验室食品科学与资源研究项目（编号：SKLF-ZZB-202512）、江苏省高等教育机构优先学科发展项目、江苏省高等教育机构重点学科项目的支持。
近年来，饶志明教授团队在高效细胞工厂构建、合成生物学技术、基因编辑工具等领域取得了丰硕的成果。相关研究发表于Science Advances (2025，2020)、ACS Catalysis (2025，2018)、Nucleic Acids Research (2024，2022)、Nature Communications (2018)、Advanced Materials (2018)等本领域权威期刊。
图形摘要
