銳談 | PNAS:過(guò)氧化物酶體代謝偶聯(lián)提高酵母單甲醇生產(chǎn)脂肪醇的效率

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發(fā)布時(shí)間：2023-12-19 11:04
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今年年初，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所周老師團(tuán)隊(duì)在The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)發(fā)表了題為“Peroxisomal metabolic coupling improves fatty alcohol production from sole methanol in yeast”的研究論文，該研究通過(guò)偶聯(lián)過(guò)氧化物酶體和脂肪醇合成途徑，并重布全局代謝網(wǎng)絡(luò)，最終以甲醇為唯一碳源實(shí)現(xiàn)了脂肪醇的高效生產(chǎn)。該研究為構(gòu)建高效的微生物細(xì)胞工廠進(jìn)行甲醇生物轉(zhuǎn)化提供一個(gè)很好的例子。

脂肪醇被廣泛用作個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品中的洗滌劑、乳化劑和潤(rùn)膚劑，如肥皂、洗發(fā)水和面霜。到2025年，全球脂肪酒精市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到70億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為5.2%。脂肪醇主要是由化石燃料或植物油進(jìn)行化學(xué)合成的，微生物生產(chǎn)可能為供應(yīng)脂肪醇提供一條有效和可持續(xù)的途徑，同時(shí)防止資源短缺和環(huán)境污染。

在該研究中研究者首先比較了三條不同的脂肪醇合成途徑，其中FaFAR途徑比其他兩條途徑脂肪醇產(chǎn)量高25倍。此外，醇脫氫酶/醛還原酶在脂肪醛轉(zhuǎn)化為脂肪醇的過(guò)程中起到重要作用。因此作者過(guò)表達(dá)了釀酒酵母來(lái)源的醇脫氫酶ScADH5以及敲除內(nèi)源的ADH6，最終脂肪醇產(chǎn)量提升了49%。為了保證脂肪醇的穩(wěn)定生產(chǎn)，研究者將FaFAR和ScADH5整合在基因組，脂肪醇產(chǎn)量并無(wú)明顯變化。然而在甲醇培養(yǎng)基中，菌株表現(xiàn)出低的生產(chǎn)效率，說(shuō)明胞質(zhì)合成途徑不適合脂肪醇的生產(chǎn)。

過(guò)氧化物酶體是甲基營(yíng)養(yǎng)酵母中甲醇同化和脂肪酸β-氧化的功能性亞細(xì)胞器，脂肪醇生物合成途徑的過(guò)氧化物酶體區(qū)隔化可能會(huì)防止胞質(zhì)脂肪酸穩(wěn)態(tài)的干擾。因此，甲醇代謝和脂肪醇生物合成的偶合可能會(huì)對(duì)脂肪醇的生產(chǎn)有作用。研究者通過(guò)融合信號(hào)肽，將脂肪醇的合成途徑靶向至過(guò)氧化物酶體中，相比于胞質(zhì)脂肪醇生產(chǎn)提升了3.9倍。此外，研究者進(jìn)一步通過(guò)拷貝數(shù)優(yōu)化，增加前體脂肪酰輔酶A供應(yīng)進(jìn)一步提升了脂肪醇的合成。

從脂肪酰輔酶A到脂肪醇共需要兩分子的NADPH，為了增加NADPH的供應(yīng)，研究者過(guò)表達(dá)了釀酒酵母來(lái)源的異檸檬酸脫氫酶ScIDP2以及構(gòu)建了蘋(píng)果酸循環(huán)，進(jìn)一步提升了脂肪醇的合成。

此外，研究者發(fā)現(xiàn)甲醇及其氧化中間體甲醛的積累對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)造成一定的損傷，嚴(yán)重影響脂肪醇的合成效率。為了進(jìn)一步提升甲醇的利用率減少甲醛的積累，研究者過(guò)表達(dá)了二羥基丙酮合酶基因DAS2，最終顯著提升了甲醇的消耗速率減少了中間體甲醛的積累，細(xì)胞生長(zhǎng)也得到了一定程度的恢復(fù)。

最終經(jīng)過(guò)搖瓶和發(fā)酵罐補(bǔ)料分批培養(yǎng)，最終菌株ZX-F75U表現(xiàn)出較好的脂肪醇生產(chǎn)能力。在發(fā)酵罐中該菌株脂肪醇產(chǎn)量達(dá)到3.6 g/L，產(chǎn)率及生產(chǎn)強(qiáng)度分別為16 mg/g和12.9 mg/L/h，是目前報(bào)道的以單一甲醇為碳源的最高脂肪醇產(chǎn)量。