综述：将里氏木霉（Trichoderma reesei）工程化改造为一种可编程的真核生物底盘，以高效生产食品工业所需的原材料

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Engineering Trichoderma reesei into a programmable eukaryotic chassis for efficient production of raw materials in the food industry

　　

传军胡|沈伟|夏圆圆|周莉|杨海泉|陈宪忠

江南大学生物技术学院及教育部工业生物技术重点实验室，中国无锡，214122

摘要

背景

Trichoderma reesei是一种高度多用途且具有工业重要性的丝状真菌，以其生产纤维素酶和其他水解酶的卓越能力而闻名。在过去的几十年中，它已成为工业生物技术中的主力军，尤其是在生物质降解方面。在食品制造领域，其固有的安全性、高分泌能力和GRAS（普遍认可的安全）地位使其不仅在酶生产方面具有吸引力，而且在食品成分、蛋白质和添加剂的生物合成方面也具有巨大潜力。

范围与方法

本综述系统总结了过去五年中T. reesei在食品工业中的研究和应用最新进展，重点关注其从专门的纤维素酶生产者向多功能合成生物学平台的转变。关键领域包括先进的基因组编辑工具、通过调控网络优化纤维素酶生产、扩展生物生产以生产高价值酶、食品蛋白质、有机酸和萜类化合物，以及系统级的生物过程工程。

主要发现与结论

最近的发展证实T. reesei已经演变成一个可编程的真核细胞工厂，在食品行业中具有显著的绿色生物制造潜力。高通量筛选、人工智能和发酵规模扩大的整合显著加速了菌株开发和工艺优化。此外，对分泌途径的操控、形态控制以及协同微生物菌群的利用进一步提高了生产效率。本综述对剩余挑战（如天然限制修饰系统和代谢瓶颈）提供了前瞻性的观点，同时强调了利用T. reesei作为推动循环生物经济和可持续食品生物技术发展的关键底盘的机遇。

引言

Trichoderma reesei是研究最广泛的纤维素降解微生物之一，拥有一个功能完备的分泌系统，支持高效的纤维素酶生产。因此，它被广泛用于酶生产和生物精炼领域（Liu等人，2021年）。最初从军用纺织品中分离出来的T. reesei已被确立为一种强大的生物质降解剂（Bischof等人，2016年）。迄今为止，T. reesei已被用于多种产品的生物合成，包括纤维素酶（Pant等人，2022年）、L-苹果酸（Chen、Han等人，2023年）、异戊二酸（Chen等人，2025年）和β-胡萝卜素（Li、Chen等人，2023年）。目前，约有243种商业酶产品是通过微生物发酵生产的，其中30种使用T. reesei作为生产宿主（Fischer等人，2021年）。所有工业用的T. reesei菌株都源自祖先菌株T. reesei QM6a。通过先进的突变技术，T. reesei QM6a的胞外蛋白产量提高了20倍，产生了突变菌株T. reesei RUT-C30，这是目前工业应用中最广泛采用的T. reesei菌株之一（Bischof等人，2016年）。值得注意的是，T. reesei在发酵条件下不会产生黄曲霉素，并被认定为普遍认可的安全（GRAS）生产菌株（Liu等人，2015年）。目前，许多被FDA指定为安全生产菌株的T. reesei菌株被用于食品加工行业，包括T. reesei AR-852和T. reesei AyGm61-2C-2（GRAS公告（GRN）编号1276和GRAS公告（GRN）编号891）。T. reesei AR-852被AB Enzymes GmbH用于生产食品酶制剂（EFSA食品接触材料小组等，2022年）。然而，并非所有T. reesei菌株都被视为安全菌株；任何用于食品相关应用的转基因菌株在使用前都需要进行独立的安全评估。

与原核生物相比，T. reesei表现出极高的分泌效率，分泌蛋白产量可达100克/升（Cherry & Fidantsef，2003年）。此外，在异源蛋白表达过程中，它不易发生细胞内积累和错误折叠——这些问题在原核生物中很常见——同时也避免了其他真核底盘常见的低分泌效率和异源蛋白降解问题（Gopalakrishnan等人，2020年；Jiang等人，2024b年）。它不仅可以高效分泌内源性酶，还可以通过基因工程改造实现异源蛋白（包括真菌酶、动物来源的蛋白和工业功能酶）的分泌表达（Hu等人，2025年）。得益于强大的环境适应性、成熟稳定的遗传操作系统、高效多用途的分泌机制以及广泛的底物利用范围，T. reesei非常适合食品工业生产，涵盖了食品原料和食品级工业酶的合成，以及食品加工过程中产生的废物的回收。

CRISPR/Cas9系统首次应用于T. reesei，以实现该真菌的基因改造（Liu等人，2015年）。该系统即使使用短的同源臂也能在特定基因位点引入突变，并且还可以同时靶向多个基因（Liu等人，2015年）。此外，还开发了一种基于诱导型启动子的可诱导CRISPR/Cas9基因组编辑平台，成功激活了T. reesei中的沉默基因簇。值得注意的是，即使使用短的同源臂（41 bp），编辑效率也达到了29.2%至46.7%（Wang、Liu等人，2024年）。基因编辑技术的迅速发展加速了T. reesei的工业应用。越来越多的工业产品在这种真菌中得到了高效合成，证明了其作为微生物宿主的优越性能。然而，目前的综述文章主要集中在丝状真菌的遗传操作、蛋白质生产、资源利用和其他天然产品的高效生物合成方面。迄今为止，很少有综述从底盘中心的角度综合探讨基因组编辑、分泌/形态工程和食品导向产品。在现有的关于T. reesei的综述中，大多数集中在纤维素酶生产上，强调影响纤维素酶产量的因素及其改进策略，但未能系统地概述T. reesei作为底盘菌株的特性。

在本综述中，使用“Trichoderma reesei”作为关键词，在Web of Science数据库中搜索了2022年至2026年间发表的所有关于这种真菌的文章。然后逐一筛选这些文章，识别出与T. reesei在食品科学和生物学领域相关的文章，并总结了该菌株在食品工业中的作用及其在天然产物合成中的潜力。在食品工业中，通过代谢工程、先进工具的开发以及持续进化和CRISPR技术的整合，T. reesei生产蛋白质、有机酸和萜类化合物的能力得到了增强，为食品工业提供了大量原材料。我们提出了几项可行的策略：（i）利用人工智能探索调控成分并设计集成代谢途径；（ii）开发智能的集成生物平台以提高运营效率、加速菌株改进并实现精确的发酵控制；（iii）创建高通量工具以缩短从实验室研究到工业生产的时间线。总体而言，本综述旨在加深对T. reesei潜力的理解，支持其技术转化，并促进其在工业和农业应用中的进一步发展和现代化。

章节片段

用于工程化丝状真菌的遗传转化系统

丝状真菌的遗传工程是它们作为工业细胞工厂发展的基础。高效可靠的转化方法对于引入靶向基因修饰、优化代谢途径和增强生产特性至关重要（图1A）。关键技术包括原生质体转化、Agrobacterium介导的转化和电穿孔——每种方法都有其独特的优势，选择方法取决于真菌生物学特性和实验目标

扩展T. reesei的生物生产范围：从酶到高价值化合物

T. reesei长期以来一直被视为工业酶制剂的模型丝状真菌。然而，合成生物学的快速应用逐渐将其应用范围从传统的酶生产领域扩展到了食品工业原料的新底盘细胞。其强大的胞外分泌系统能够直接将目标产物释放到培养基中，大大简化了下游过程

通过形态工程提高发酵性能

在浸没式真菌发酵中，菌丝形态直接影响培养基的流变学、氧气传递和产物分泌。通过优化分支模式、颗粒大小和细胞壁特性来改造菌株，是降低粘度、提高质量传递和改善T. reesei基生物过程整体生产力的有效策略。丝状真菌的浸没式发酵需要低粘度的培养基以确保足够的氧气传递和支持

基因组挖掘和激活隐秘的代谢途径

除了在纤维素酶生产中的既定作用外，T. reesei还蕴藏着丰富的未探索的遗传和代谢潜力。系统地挖掘其基因组可以发现新的酶、转运蛋白和沉默的生物合成基因簇，从而扩展这种真菌宿主在多种生物技术应用中的功能多样性。尽管T. reesei拥有一个注释良好的基因组，但其遗传潜力仍未得到充分探索，大多数研究仍集中在纤维素酶上

结论与展望

本综述系统总结了最近在将T. reesei作为食品工业中绿色生物制造的可编程真核底盘方面的进展。研究结果表明，T. reesei已经从专门的纤维素酶生产者演变成一个多功能合成生物学平台，能够生产多种高价值产品，包括食品级酶、功能性食品蛋白质（如卵白蛋白、β-乳球蛋白、乳铁蛋白）和有机酸（如L-苹果酸）

利益冲突

作者声明没有竞争性财务利益。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2024YFA0918300）和111项目（111-2-06）的资助。