【能源与环境】 | Energy & Environment
作者：科学前沿阵地，2025-05-09
科学背景
复杂有机污染物（如石油及炼油废水中的多环芳烃PAHs和单环芳烃）常以混合形式通过大气沉降或原油泄漏进入海洋，威胁生态系统和人类健康。尽管多数细菌因仅分泌特定分解酶而难以处理复杂混合物，但研究表明微生物群落可通过协同代谢实现高效生物修复，尤其在耐受高盐、极端pH等严苛环境的液相或固相中更具优势。合成生物学的进展为定向设计耐逆性降解菌株、优化污染场地修复提供了新策略。
产钠弧菌（Vibrio natriegens）是极具合成生物学潜力的快速生长型底盘菌种，其作为已知生长最快的细菌，兼具高盐耐受性及高效多碳源转化能力，可合成高附加值生物产物。目前已开发SWAPnDROP、NT-CRISPR等基因组编辑工具，并实现基于自然转化的多重基因组改造。该菌种通过表型与基因组安全性评估，被认定为生物技术领域通用安全菌株。
创新成果
上海交通大学唐鸿志教授、中国科学院深圳先进技术研究院戴俊彪研究员等研究人员通过整合多个降解基因簇，建立一株能够修复一系列污染物（从单环苯到双环和多环化合物）的V. natriegens菌株。为了提高V. natriegens Vmax的转化效率，构建了一株在1号染色体上携带外源tfoX基因的菌株。随后，体外合成9个降解基因簇，在酵母中组装并整合到Vmax基因组中，以生成能够修复目标污染物的候选菌株。根据修复性能从候选菌株池中选出5个基因簇。开发了基于Vmax并放大tfoX效应的迭代自然转化(INTIMATE)方法，并将所有5个降解基因簇整合到最终的底盘菌株中。该工程菌株能够对氯碱厂和石油炼油厂的工业废水样品中的五种有机污染物（联苯、苯酚、萘、二苯并呋喃和甲苯）进行生物修复，修复范围广泛，涵盖从单环化合物到多环化合物的广泛底物范围。
相关研究成果以“Bioremediation of complex organic pollutants by engineered Vibrio natriegens”为题发表在Nature上。
核心创新点
工程化改造细菌用于复杂有机污染物修复：利用合成生物学技术，将Vibrio natriegens工程化改造为能修复含盐废水和土壤中复杂有机污染物的菌株。这为解决工业废水、石油污染和塑料污染等对全球海洋生物安全的威胁提供了新的思路和工具。
开发新的基因工程方法（INTIMATE）：开发了基于自然转化的基因工程方法INTIMATE，通过过表达tfoX基因增强 DNA摄取和整合能力，并将五个基因簇（共43 kb）整合到V. natriegens Vmax菌株的基因组中，使其能同时降解多种有机污染物。
构建高效降解多种有机污染物的工程菌株：成功构建的工程菌株能同时降解双酚、苯酚、萘、二苯并呋喃和甲苯这五种有机污染物，涵盖了从单环到多环的广泛底物范围，且在工业废水样本（氯碱厂和炼油厂）中表现出良好的修复能力。
优化的底盘细胞选择与改造：选择Vibrio natriegens Vmax作为底盘细胞，并对其进行了一系列优化。包括通过删除约150个基因提高其转化效率和蛋白表达效率，以及筛选出chr2_297等非必需基因作为基因工程的插入位点，实现了降解途径基因簇的稳定和均匀表达。
成果启示
这项研究研究通过合成生物学手段成功改造了Vibrio natriegens，使其能够高效修复含盐废水和土壤中的复杂有机污染物。这一成果不仅突破了传统微生物修复在处理复杂有机污染物和耐盐性方面的限制，还开发了创新的基因工程方法（如INTIMATE），显著提高了基因簇的整合效率。INTIMATE提供了一个强大的平台，可用于改造具有更广泛底物谱、更强污染物降解能力和更高安全性的下一代菌株。这些菌株能够感知污染物，在修复后自我毁灭，并无缝融入微生物群落，从而增强环境修复效果。将工程菌株与天然微生物群落相结合，可以进一步提高生物修复效率，并应对紧迫的环境挑战。
研究还优化了底盘细胞，增强了其生长速率和耐盐性，并成功将多个降解基因簇整合到单一菌株中，实现了多种有机污染物的同时降解。这些成果为应对全球海洋生物安全威胁提供了新的技术手段，并为未来开发更高效、适用范围更广的微生物修复技术奠定了基础，特别是在处理工业废水、石油污染和塑料污染等领域具有重要的应用潜力。
（本文节选自公众号：科学前沿阵地，标题略有修改，内容有删减）
编辑：Jas
