综述：从实验室到反应器：用于生物化学品和生物材料生产的工程化丝状真菌

《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》：From the bench to the reactor: engineered filamentous fungi for biochemical and biomaterial production

　　本综述系统阐述了丝状真菌在生物炼制中的巨大应用潜力，涵盖了有机酸（如柠檬酸、衣康酸）、单细胞油脂、酶制剂（纤维素酶、木质素修饰酶等）及高价值次级代谢产物（如紫杉醇、真菌色素）的微生物生产。文章重点讨论了代谢工程与蛋白质工程策略（包括CRISPR-Cas9技术）在提升真菌细胞工厂性能方面的最新进展，并展望了真菌菌丝体材料在可持续包装、仿皮革织物及生物电子等新兴领域的应用前景，为将真菌技术整合到循环生物经济中提供了重要见解。

　　

丝状真菌与人类的过去、现在和未来紧密交织。它们不仅能转化多种天然化合物，包括有机生物质和废物流，还能生产一系列有价值的产品。丝状真菌以其分泌大量胞外酶降解复杂底物以及产生具有工业相关性的化学多样性代谢物而著称。

真菌用于生物分子生产

利用木质纤维素或有机废物等替代碳源进行生物分子的工业规模生产是生物炼制的主要目标。丝状真菌在生物炼制过程中具有若干优势，包括能够分解复杂的有机废物原料，利用由此产生的多种糖类，并生产一系列有用的生物分子。

有机酸生产

丝状真菌能产生多种有机酸，通常用作食品、医药和制药的基石。例如，黑曲霉（Aspergillus niger）是众所周知的有机酸高产菌株。苹果酸是一种四碳二羧酸，是美国能源部确定的12种顶级平台化学品之一。通过代谢工程，例如在黑曲霉中过表达葡萄糖转运蛋白（MstC）、己糖激酶（Hk）、6-磷酸果糖-2-激酶（Pfk）和丙酮酸激酶（Pk）的基因，可增加糖酵解途径的碳通量，从而在1.5升发酵罐的分批补料发酵中将苹果酸滴度提高至201.13 g/L。

衣康酸（IA）是另一种具有广泛应用价值的有机酸。降低IA的生产成本是合成生物学的关键优先事项。通过基因工程改造碳分解代谢物阻遏（CCR）系统，可以使丝状真菌更容易地利用生物质废物中的糖类，从而可能提高产量。

脂质生产

脂质是诸如脂肪、蜡、油和类固醇等不溶于水但溶于有机溶剂的有机化合物。单细胞油脂使用卷枝毛霉（Mucor circinelloides）和高山被孢霉（Mortierella alpina）等真菌作为膳食补充剂进行商业化生产。

丝状真菌生产生物柴油具有与植物或微藻衍生油相比的优势。未来的研究不仅应关注通过基因工程增加脂质积累，还应关注先进的加工技术，以便更轻松地从真菌生物质中分离脂质。

次级代谢产物

次级代谢产物是生物体产生的非生长必需的小分子，由位于基因组某个区域的基因共定位的酶组（称为生物合成基因簇，BGCs）产生。在迄今为止描述的约33,300种微生物次级代谢产物中，有15,600种代谢物据报道源自真菌。

许多真菌次级代谢产物具有重要的医学应用，例如抗生素青霉素和抗癌药物紫杉醇（化学名“paclitaxel”）。紫杉醇目前从太平洋紫杉（Taxus brevifolia）树皮中提取，产量很低。紫杉醇在超过20种真菌物种中产生，包括内生真菌黑曲霉和尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum），这意味着丝状真菌可能是工业紫杉醇生产的有吸引力的替代底盘。

并非所有真菌产生的次级代谢产物都是有益的。联合国粮食及农业组织报告称，全球每年有25%的农产品受到霉菌毒素污染。由镰刀菌（Fusarium）产生的T-2类A型单端孢霉烯族霉菌毒素和由曲霉属（Aspergillus）物种产生的黄曲霉毒素对人类健康构成重大关切。

色素和着色剂

真菌色素是一组具有巨大工业相关性和潜力的真菌次级代谢产物。真菌可以产生多种色素，应用于食品、饲料、化妆品以及作为材料生产的添加剂。丝状真菌已被证明能产生β-胡萝卜素、黑色素、氮杂菲酮、醌类、黄素、红曲黄素、红曲素、蒽醌和萘醌等，从而产生一系列颜色（黄色、橙色、红色、绿色、紫色、棕色和蓝色）。

真菌基色素生产的一个关键优势是许多物种可以代谢非优选碳源并在恶劣条件下存活，包括生物废物。然而，将特别是来自废物流的食品产品商业化仍然存在巨大障碍，因为必须根据监管要求满足严格的毒性和过敏原标准。消费者的接受度也将是市场化的一个巨大障碍。

用于植物生物质降解的酶

使用木质纤维素生物质作为工业真菌发酵原料可以带来诸多环境效益。然而，酶水解是这个过程中最昂贵和最关键的步骤之一，需要廉价、高活性的酶来最大限度地降低糖和其他化合物的生产成本。

丝状真菌产生的蛋白质在工业中发挥着重要作用，例如由里氏木霉（Trichoderma reesei）生产的纤维素酶用于从木质纤维素生物质中释放糖，随后转化为酒精生物燃料。对丝状真菌中的蛋白质生产途径施加控制，通过基因组工程在蛋白质表征、表达和分泌方面取得了巨大进步。

真菌促进可持续性

丝状真菌的酶生产是一个具有众多应用的成熟产业，但真菌分解复杂天然和合成聚合物的能力，加上其遗传易操作性、高生产率和广泛的生物产品能力，已为在可持续生物基经济中开发做好了准备。

菌丝基材料

除了它们的产物，真菌生物质本身已被探索用于建筑材料和织物。菌丝基材料为纺织品、木材、泡沫和绝缘材料提供了可持续的替代品，并且具有将废物材料低能量转化为增值产品的优点，菌丝材料非常适合绿色建筑和消费品范式。

类皮革织物

真菌生物质用于织物的早期认识源于对纤维素和几丁质（菌丝细胞壁的主要成分）结构相似性的早期认识。最近，商业和学术界对菌丝的兴趣与利用真菌菌丝体生产材料的生物技术公司数量的增加相关。

真菌基皮革材料面临的一些挑战包括材料加工和生物质生长。最近的工作表明，在蘑菇形成真菌菌盖侧耳（Schizophyllum commune）中删除单个基因（SC3疏水蛋白，其在细胞壁组成和菌丝疏水性中起作用）会导致菌丝体组织的机械性能发生可测量的变化，这表明真菌基因组其他部分的操作也可能对材料性能产生影响。

用于包装的生物复合材料

对包装材料有巨大的需求。生长可自然降解的一次性包装材料的能力因此代表了可持续性方面的潜在进步。菌丝基复合材料是通过利用真菌菌丝网络自然渗透木质纤维素材料的能力而生长的。

一些公司正在投资菌丝作为传统和塑料材料的替代品。菌丝材料可以进行3D打印。也有注射成型菌丝材料的例子，其中含有孢子的浆料或液体材料聚集体可以被注入汽车部件形状的模具中，让孢子生长特定时间。这为用于结构和美学目的的塑料提供了一种替代品。

真菌电子产品

最近探索了真菌基材料在电力和电子应用中的适用性。真菌对于制造可生物降解的传感器具有吸引力，这些传感器可以散布在田野中收集一段时间的数据，然后就地降解。

例如，研究人员在 hardwood 基底上生长灵芝（Ganoderma lucidum），产生一层菌丝体“皮肤”，该皮肤可以通过物理气相沉积金属化，然后集成到电路板中，形成柔性电子传感器。通过激光烧蚀，可以精确控制金属涂层的形状。真菌皮肤也可用作导电表面，向机器人传递电信号，并可用于制造可穿戴传感器。

食品

真菌的子实体和菌丝体都可用于富含蛋白质的食品。真菌正在成为肉类替代品市场中越来越普遍的部分，因为它们脂肪含量低，蛋白质和纤维含量高。

从20世纪80年代开始，消费食品公司开始向全球市场推出新的真菌生物质蛋白产品。真菌生物质蛋白的氨基酸谱与联合国粮农组织/世界卫生组织的人类营养标准一致。

含有活生物体的材料的一个关键优势是这些生物体的生长能够愈合小撕裂，从而密封破裂的包装。最近的工作3D打印了壳聚糖、纤维素和咖啡渣的混合物。接种真菌后，发现虽然菌丝体的生长降低了材料的拉伸和压缩强度，但这种生长产生了一种能够愈合高达8毫米间隙的材料。

分布式生物制造与未来应用

可持续和可回收的建筑材料在资源有限和补给物流困难的情况下也很有吸引力，例如在外层空间探索中，或是在发展中国家资源有限环境的医疗保健环境中。

除了将真菌理解为污染物，美国国家航空航天局（NASA）有兴趣利用菌丝材料作为离星球环境殖民的现场生长结构。这个概念的先导研究涉及理解菌丝体生长作为与藻类和细菌共生体的一部分，共同创造一个支持结构生长的共生环境。可调的材料特性和自生长、自修复结构对于资源稀缺和有效载荷重量有限的严峻环境来说是理想的。

结论

丝状真菌历史上已被用于广泛的工业应用，并且仍然是一组有前途的生物体，用于生产范围广泛的商业相关产品，如有机酸、脂质、次级代谢产物和酶。除了它们的产物，真菌生物质本身在利用废物流构建可再生材料和种植新食物来源方面具有潜在价值。真菌将木材和农业废物等废品转化为有价值产品的能力意味着它们很可能在未来循环经济的发展中发挥重要作用。