γ-聚谷氨酸（γ-PGA）是一种由D-谷氨酸和L-谷氨酸单体通过γ-酰胺键聚合而成的天然高分子多肽，因其优异的吸水性、可降解性及生物安全性，在现代农业、化妆品、食品工业及医药材料等领域具有极高的应用价值。然而，在传统的微生物发酵生产中，底物利用率低、发酵过程中表面活性素大量合成导致的起泡问题是制约γ-PGA大规模工业化应用的瓶颈。
针对上述问题，中国科学院成都生物研究所功能菌种创制与生物质高效利用创新团队基于代谢重编程原理，通过精准敲除γ-PGA工业生产菌株枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）基因组中的乙醛酸裂解酶编码基因aceA，成功切断了乙醛酸旁路循环，构建了一株兼具高产和低起泡特性的工程菌株。
图 1 野生型菌株与突变体菌株的γ-PGA合成能力差异
转录组学与代谢组学关联分析表明aceA敲除后菌体通过“Block-Push-Pull（堵-推-拉）”协同的代谢重编程机制提升了γ-PGA合成效率。“Block（堵）”：敲除aceA阻断了异柠檬酸向乙醛酸的分流，使碳源强制通过TCA循环的有氧脱羧途径，使胞内γ-PGA合成前体α-酮戊二酸（α-KG）和L-谷氨酸大量积累；“Push（推）”：突变株糖酵解（EMP）途径的关键限速酶基因（如pfkA和pyk）表达量上调，加速了葡萄糖向丙酮酸和乙酰辅酶A的转化，为前体合成提供了源源不断的碳流与能量供给；“Pull（拉）”：γ-PGA聚合酶基因pgsBCA以及负责pgsBCA转录激活的DegS-DegU双元调控系统显著上调，将积累的前体底物迅速“拉动”至γ-PGA合成途径并高效聚合为γ-PGA。
图 2 “堵-推-拉”代谢重编程机制示意
此外，aceA的敲除导致了表面活性素合成操纵子srfA的全局转录沉默；同时，由于大量碳氮通量被重定向至γ-PGA合成通路，合成表面活性素所需的关键支链氨基酸（缬氨酸、异亮氨酸）前体严重不足，在转录调控和底物竞争双重层面抑制了发酵过程的泡沫产生。
为评估该改造菌株的工业化潜力，在50 L反应器中进行了放大发酵验证。以葡萄糖为碳源时，ΔaceA菌株的γ-PGA产量达61.35 g/L（较野生型提高81.7%），碳源消耗率达97.4%，且发酵全程无需添加任何化学消泡剂；利用廉价的淀粉加工副产物糊精（dextrin）作为替代碳源时，γ-PGA产量进一步提升至71.45 g/L，同时产物的纯度与品质显著提升。
图 3 放大发酵（50 L）及糊精替代发酵
该研究突破传统改造思路局限，为 γ-PGA 工业化菌种迭代升级提供核心可行方案，同时为其他存在前体供给不足、发酵泡沫过量问题的生物合成体系，提供菌株定向编辑的通用改造思路。相关研究成果以“Metabolic flux redirection via glyoxylate shunt disruption enhances poly-γ-glutamic acid production and suppresses foaming in Bacillus subtilis” 为题发表于Chemical Engineering Journal。已毕业硕士研究生王雪为该论文第一作者，吕青阳副研究员与闫志英研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（32401225）、四川省科技计划（2025ZYD0177）以及中国科学院成都生物研究所青年探索项目（QNTS2025-6）的支持。