微生物细胞在漫长的自然进化中，其天然合成途径的形成是为细胞生存服务的，而不是作为化合物合成的专用途径，故其化合物合成效率也就自然不一定是最佳的。针对代谢合成效率这一科学问题，不同于传统的聚焦在优化天然合成途径的思路，我们运用合成生物学“自下而上”的构筑理念，开展非天然合成途径的创制工作（Biotechnology advances, 2023），构建了针对重要次级代谢化合物合成的包括丙二酰辅酶A（Nature Catalysis, 2024）、异戊烯基二磷酸及异构体（PNAS, 2019）以及聚酮化合物骨架（Nature Catalysis, 2020）在内的多条人工合成途径，推动包括聚酮类、黄酮类、萜类化合物等目标化合物的高效生物合成。

在运用微生物细胞工厂（MCF）进行生物制造的过程中，来自于底物中的有毒杂质、积累的有毒终产物以及高温、酸碱、高渗透压等不利的环境因子，均会对其产生毒害，而且通常表现为多因子同时存在，产生胁迫效应的叠加，进一步导致MCF生长缓慢和合成能力降低。为此，不同于传统的耐受单一胁迫因子的改造策略，我们首先解析了多重胁迫因子引起细胞毒害的共性机制，进而重编程微生物细胞膜，创建了对多重胁迫因子均具有良好耐受性的微生物底盘细胞。

1. 首先，我们对磷脂分子的脂肪酸尾部进行了重塑。通过表达来自于铜绿假单胞菌的Cti异构酶，催化E. coli磷脂中不饱和脂肪酸从顺式转变成反式，继而使细胞膜的致密性显著提升，并增强了E. coli对多种有毒产物（例如短链脂肪酸、乙醇、己醇、乙酸、丁二酸、苯乙烯、甲苯等）以及对高温、低pH等多种胁迫因子的耐受性（Metab Eng, 2016）；

2. 其次，我们重塑了细胞膜中磷脂分子的头部基团：发现过表达E. coli的pssA基因会导致细胞膜中PE含量提高，并显著增强了E. coli对底物中的有毒抑制物（包括呋喃类、弱酸以及酚类物等）、有毒产物（例如乙醇、己醇、苯乙烯、甲苯等）以及不利的环境因子（例如高温、低pH、高渗透压等）的耐受性。将该细胞工厂培养在含有纤维素水解液典型抑制物的条件中进行短链脂肪酸的合成时，其产量提升了66%，进一步表明这一新颖的细胞膜重塑策略在生物合成中的极大潜力（Metab Eng, 2017）;

3. 除了对磷脂分子进行改造之外，我们对细胞膜中关键膜蛋白的丰度进行了重塑。发现关键外膜孔蛋白OmpF的敲除和孔道蛋白FadL的过表达，使得细胞内膜减少了直接面对外源有毒物质（如短链脂肪酸）的机会，因此提高了E. coli细胞膜的完整性、对脂肪酸的耐受性。将其应用到长链脂肪酸的合成时，长链脂肪酸的产量提高了53%（Microb Cell Fact, 2017）;

4. 除了对细胞膜天然结构进行改造外，我们还通过引入非天然细胞膜组分，重塑E. coli细胞膜。具体地，将真核生物细胞膜中特有的、而在绝大多数原核生物中不存在的2,3-环氧角鲨烯，引入E. coli细胞膜中。发现重组E. coli显著增强了对有毒抑制物（例如羟甲基糠醛、乙酰丙酸、香草酸等）、有毒产物（例如3-羟基丙酸、脂肪酸、乳酸、柠檬酸、己二酸等）以及不利的环境因子（例如高温、低pH、高渗透压等）的耐受性。将其应用到生物合成中时，3-羟基丙酸和脂肪酸的产量分别提高了2倍和1.28倍（Biotechnology for Biofuels, 2023）。