在抗生素生产领域，一项突破性成果为红霉素的高效合成带来了新希望。中国科学院分子植物科学卓越创新中心的研究团队，成功构建出全球首株能脱离质粒、稳定合成红霉素A的大肠杆菌菌株，且产量大幅提升，相关研究发表在国际学术期刊Bioresource Technology上。
红霉素是临床上重要的广谱大环内酯类抗生素，其异源生物合成过程极为复杂，涉及庞大的基因簇，约55kb。传统研究多借助多质粒系统进行表达，然而质粒存在不稳定性，使用抗生素会带来一系列问题，而且细胞代谢负担过重，这些因素始终制约着生产效率的进一步提高。
为攻克这一难题，研究团队开发出一套基于CRISPR/Cas9的“可重复利用靶点工具包（Reusable target - site toolkit）”。该工具包针对不同长度的DNA片段采用了差异化策略。对于长度大于10kb的片段，采用两步整合法，利用限制性内切酶从质粒直接切割大片段作为供体DNA，有效避免了长片段PCR引入突变的风险；对于长度小于5kb的片段，则采用迭代整合法，在同一靶点进行连续组装。
借助这一创新技术，研究人员将23个红霉素合成相关基因（总长度达56.2kb）精准集成到大肠杆菌BAP1的染色体上，成功获得了工程菌株sZG9，这也是全球首个实现无质粒红霉素A生物合成的大肠杆菌菌株。
在实现染色体稳定集成后，研究团队并未止步，而是针对红霉素合成中的前体供应瓶颈，开展了深入的代谢工程优化工作。在强化糖单元供应方面，团队系统性地阻断竞争途径，例如删除zwf、rfbC等基因，同时引入磷酸葡萄糖变位酶（PGM）的Ser45Asn突变，消除了负调控位点，使得脱氧糖前体的积累显著增加。在增加丙酰辅酶A供应方面，团队识别出丙酰辅酶A合成酶（PrpE）的关键调控位点，通过Lys592Asn突变解除其受到的负反馈调节，大幅提升了红霉素大环内酯核心结构的合成能力。
经过多轮迭代优化，最终菌株sZG135的红霉素A产量达到了9.80mg/L，相比初始菌株实现了8.25倍的大幅增长，刷新了大肠杆菌合成红霉素A的最高产量纪录。这项研究不仅为红霉素的高效生产提供了高性能的底盘细胞，更重要的是，其开发的大片段DNA染色体整合策略具有很强的通用性，可推广应用于其他复杂聚酮类、萜类等天然产物的生物合成中，为合成生物学研究提供了有力的工具支持。
