近日，華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院李爽教授課題組在Green Chemistry雜志（IF=10.18）上發(fā)表了一篇題為“Efficient utilization of carbon to produce aromatic valencene in Saccharomyces cerevisiae using mannitol as substrate”的研究論文。該論文首次報道了以釀酒酵母為底盤細胞，非發(fā)酵碳源甘露醇為唯一碳源，構(gòu)建了高附加值倍半萜類香料——瓦倫西亞烯的高效細胞工廠，證明了海藻源碳源在釀酒酵母高產(chǎn)萜類化合物的潛力。博士研究生朱晁誼為該文第一作者。（論文鏈接https://doi.org/10.1039/D2GC00867J）

 

　　萜類化合物是一類基于異戊二烯單元（C5H8）的天然化合物，種類繁多且具有多種生物活性，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、食品、化妝品等領(lǐng)域。傳統(tǒng)上萜烯生產(chǎn)依賴于化學(xué)合成或植物提取，存在高耗能、高污染、低產(chǎn)率、資源浪費等劣勢。近年借助于合成生物學(xué)手段，微生物細胞工廠已實現(xiàn)多種化學(xué)品的發(fā)酵生產(chǎn)。釀酒酵母是目前研究最為廣泛微生物底盤細胞之一，但作為Crabtree陽性菌株，其溢流代謝導(dǎo)致副產(chǎn)物乙醇代謝通量過高而生物質(zhì)得率較低。非發(fā)酵碳源可有效維持細胞線粒體的完整性，從而最大程度限制乙醇的剛性通量，保障了萜烯生物合成所需的高能耗和輔因子平衡。甘露醇，作為一種未被充分認識開發(fā)的非發(fā)酵碳源，是廣泛存在于褐藻的主要儲備碳源。依靠大型海藻海水養(yǎng)殖的優(yōu)勢，甘露醇具備新一代綠色生物制造中替代糧食基碳源的潛力，吸引了研究者的關(guān)注。

 

　　該研究從理論代謝網(wǎng)絡(luò)基元計算出發(fā)，模擬出甘露醇高效生產(chǎn)瓦倫西亞烯的代謝靈活性。經(jīng)過1500多小時的適應(yīng)性實驗室進化（Adaptive laboratory evolution，ALE），突破了天然釀酒酵母對甘露醇的利用瓶頸，獲得了具有優(yōu)越甘露醇代謝能力的釀酒酵母菌株BN-91A。相比葡萄糖碳源，以甘露醇為唯一發(fā)酵碳源，瓦倫西亞烯的產(chǎn)量和C/C轉(zhuǎn)化率分別提高3和5。基因組和轉(zhuǎn)錄水平分析揭示，甘露醇代謝為瓦倫西亞烯合成相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯提供了更有利保障。通過合成生物學(xué)代謝調(diào)控手段，進一步優(yōu)化前提供應(yīng)、底物攝取速率及輔因子再生等，在3 L發(fā)酵罐實現(xiàn)瓦倫西亞烯產(chǎn)量5.6 g/L。

 

　　瓦倫西亞烯（Valencene）是一種具有柑橘香氣的高值倍半萜類化合物，被廣泛應(yīng)用于食品、化妝品行業(yè)，年市場需求量超過10,000 kg。相比目前以西柚皮為原料提取的低得率（0.2-0.6%），該研究獲得的釀酒酵母細胞工廠產(chǎn)量達到g/L范圍，將具有絕對的價格優(yōu)勢，且不受農(nóng)業(yè)耕地、季節(jié)等條件限制。該研究也為萜類化合物的高效微生物生產(chǎn)開辟了一條新的道路。

 

　　該工作得到國家自然科學(xué)基金（21878104，22178131）和國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFA0901504）的資助。