胆汁酸不仅是人体消化吸收脂肪的重要帮手，近年研究更揭示，它们作为关键的信号分子，在调节宿主代谢、免疫乃至与肠道微生物互作中扮演着核心角色。特别是由肠道菌群对初级胆汁酸进行7α-脱羟基化转化生成的次级胆汁酸，如脱氧胆酸（DCA）和石胆酸（LCA），已被证实具有预防艰难梭菌感染、抑制肿瘤发生等重要生理功能，并在医药和化妆品领域展现出巨大应用价值。然而，目前商业化次级胆汁酸主要依赖动物胆汁提取或复杂化学合成，前者成本高昂、原料受限，后者步骤繁琐、使用强腐蚀性试剂且产率低下，对环境极不友好。微生物合成虽被视为可持续替代方案，但天然生产者是严格厌氧且遗传操作困难的梭菌属细菌，极大限制了其应用。
近日，江南大学生物工程学院张梁教授与郭中鹏教授团队在《生物技术趋势》(Trends in Biotechnology)期刊发表题为《Engineering Bacillus subtilis as a sustainable platform for the production of functional bile acids》（工程化枯草芽孢杆菌作为生产功能性胆汁酸的可持续平台）的研究论文。该研究成功在好氧、食品级安全的枯草芽孢杆菌中，功能性地重构了胆汁酸7α-脱羟基化完整通路，首次打破了长期以来依赖严格厌氧条件进行此类生物合成的技术瓶颈，为绿色、高效生产高价值胆汁酸提供了全新的微生物平台。
研究团队首先对天然产胆汁酸的梭菌来源的七个关键酶基因（BaiB, BaiA2, BaiCD, BaiE, BaiF, BaiH, BaiG）进行了系统的克隆与表达优化。他们以食品级安全、遗传背景清晰且具有强蛋白分泌系统的枯草芽孢杆菌G600为底盘，通过模块化设计，构建了携带不同基因组合的系列工程菌。蛋白质印迹实验确认，除BaiH外，其余关键酶均能在好氧条件下成功表达。为验证酶活性，团队开展了一系列体外实验：证实BaiB可催化胆酸（CA）生成胆酰辅酶A；BaiA2兼具氧化与还原活性，能分别将CA转化为3-氧代-胆酸以及将3-氧代-脱氧胆酸还原为DCA。
通过依次构建表达从2个到6个基因的工程菌（Strain 1-5），并结合液相色谱-质谱联用（LC-MS）的精细代谢物分析，他们成功捕捉到了从胆酸（CA）出发的多个关键中间体，包括3-氧代-胆酸、3-氧代-4,5-脱氢-脱氧胆酸，甚至检测到了3-氧代-4,5-6,7-双脱氢-脱氧胆酸。在另一条还原支路中，以3-氧代-脱氧胆酸为底物时，Strain 6成功生成了终产物脱氧胆酸（DCA）。这一系列结果清晰表明，这条复杂的多步氧化还原通路已在工程化枯草芽孢杆菌中被成功打通。尽管当前产量尚待提升，且面临胆汁酸细胞毒性、胞内氧化还原环境平衡以及产物纯化等挑战，但该研究首次实现在好氧、食品级宿主中对胆汁酸7α-脱羟基化通路的功能性重构，不仅为解析该复杂代谢机制提供了强大的平台，更为未来开发安全、可持续、可规模化的胆汁酸绿色制造工艺奠定了坚实的科学基础。
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