甲羥戊酸是一種重要的生物化學分子，是萜類化合物合成的關鍵前體。萜類化合物廣泛應用於醫藥、能源和化工領域，例如香料生產、抗癌藥物開發以及生物燃料的製備。然而，傳統的化學提取和合成方式不僅成本高昂，還會對環境造成汙染。因此，利用微生物細胞工廠高效合成甲羥戊酸成為一種綠色、可持續的解決方案，而酵母細胞由於其遺傳工程的便利性和高效的碳代謝能力，被視為理想的生產底盤。
儘管酵母已經被廣泛用於微生物合成，但高效生產甲羥戊酸仍面臨多重挑戰。首先是甲羥戊酸的合成依賴乙醯輔酶 A 作為關鍵前體，然而，乙醯輔酶 A 的生成常常受限於酵母細胞的代謝瓶頸。並且在高密度發酵過程中，等副產物的過量生成會分流碳代謝，降低目標產物甲羥戊酸的積累效率。
中國科學院天津工業生物技術研究所的戴宗傑團隊正是瞄準這些核心問題，透過代謝通路的重程式設計和發酵工藝的最佳化，成功打破了限制甲羥戊酸生產的“天花板”，實現了歷史性的產量提升，達到 101 g/L。這一成果發表在 Journal of Agricultural and Food Chemistry，題為“Reprograming the Carbon Metabolism of Yeast for Hyperproducing Mevalonate, a Building Precursor of the Terpenoid Backbone”。戴宗傑研究員主要從事 Crabtree 陰性酵母合成進化生物學研究。利用理性設計與基因組編輯進化，結合系統生物學解析，闡明酵母底盤細胞生理代謝特性的分子基礎，以設計-構建-測試-學習(DBTL)的方式迴圈迭代提升酵母底盤的代謝效能，構築高效化學品細胞工廠。
研究團隊首先聚焦於甲羥戊酸合成通路中的兩個關鍵酶基因：ERG12（甲羥戊酸激酶）和HMGR（HMG-CoA 還原酶）。ERG12 負責催化甲羥戊酸的磷酸化，是通路的下游關鍵步驟；HMGR 則是通路的速率限制酶，其活性直接決定了通路整體的代謝效率。為了提升這兩個基因的表達水平，研究人員在解脂耶氏酵母基因組中增加 ERG12 和 HMGR 基因的複製數，從而增強關鍵酶的催化能力。這種方法相當於為酵母代謝通路裝上“雙引擎”，讓甲羥戊酸的合成速度顯著提升。
實驗結果顯示，雙複製策略使甲羥戊酸的產量從基礎水平提高至4.16 g/L。並且通路的增強並未對酵母細胞的正常生長造成明顯影響，表明這種策略在保證細胞代謝平衡的同時顯著提高了目標產物的累積效率。
圖 | 解脂耶氏酵母中甲羥戊酸生物合成的代謝途徑。（來源：上述論文）
儘管通路最佳化已取得顯著進展，但甲羥戊酸的進一步合成仍受到乙醯輔酶 A 供應不足的限制。作為甲羥戊酸的直接前體，乙醯輔酶 A 的生成依賴於三羧酸迴圈（TCA 迴圈）。然而，酵母細胞往往會透過檸檬酸分流導致碳資源的浪費，從而限制乙醯輔酶 A 的有效供應。
針對這一問題，研究團隊設計了碳代謝重程式設計策略，透過以下步驟提高乙醯輔酶 A 的供應能力，一是引入異源 ATP-檸檬酸裂解酶，研究人員從真菌 Aspergillus nidulans 中引入一種高效的 ATP-檸檬酸裂解酶。這種酶能夠將積累的檸檬酸快速分解為乙醯輔酶 A 和草醯乙酸，從而顯著提高乙醯輔酶 A 的可用性。實驗表明，這一策略使甲羥戊酸的產量進一步提升至接近5 g/L；二是干擾 TCA 迴圈，減少檸檬酸積累，為了減少檸檬酸的生成，研究團隊敲除了 TCA 迴圈中的兩個關鍵基因 IDH1 和 IDH2（編碼異檸檬酸脫氫酶）。這些基因的敲除有效降低了檸檬酸的生成量，同時將更多的碳通量導向乙醯輔酶 A 合成。透過這些代謝重程式設計措施，酵母的乙醯輔酶 A 供應能力得到顯著提升，為甲羥戊酸的高效生產奠定了基礎。
圖 | 透過修改檸檬酸途徑和 TCA 迴圈改善乙醯輔酶 A 供應的示意圖。（來源：上述論文）
檸檬酸的溢位現象通常指的是在生物合成過程中，當檸檬酸合成途徑的中間產物積累到一定程度時，這些中間產物會從細胞內部“溢位”到細胞外部的現象。檸檬酸的過量生成不僅浪費了碳資源，還可能對細胞的代謝過程產生抑制作用。為了解決這一問題，研究團隊進一步優化了酵母細胞的碳代謝網路，透過基因編輯技術，敲除了CEX1基因（參與檸檬酸的運輸過程）。該基因的敲除相當於關閉了細胞“排放廢物”的通道，直接減少了檸檬酸的溢位量。實驗結果顯示，敲除 CEX1 後，檸檬酸的排放量從 57.8 g/L 下降到僅 3.4 g/L，減少了 90% 以上。同時，甲羥戊酸的產量飆升至 101 g/L，重新整理了現有酵母系統生產甲羥戊酸的最高記錄。
透過碳代謝重程式設計與多層最佳化策略，天津工業生物所戴宗傑及研究團隊為甲羥戊酸的高效生產開闢了全新路徑。這不僅為萜類化合物的綠色合成提供了先進技術，也為未來代謝工程的發展指明瞭方向。
1.Ge Zhang, Yurui Ma, Meina Huang,et al. Reprograming the Carbon Metabolism of Yeast for Hyperproducing Mevalonate, a Building Precursor of the Terpenoid Backbone[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry ,DOI: 10.1021/acs.jafc.4c09874
2.Su L, Liu P, Liu W, et al. Computational Design-Enabled Divergent Modification of Monoterpene Synthases for Terpenoid Hyperproduction[J]. ACS Catalysis, 2024, 14: 17699-17715.
免責宣告：本文旨在傳遞合成生物學最新訊息，不代表平臺立場，不構成任何投資意見和建議，以官方/公司公告為準。本文也不是治療方案推薦，如需獲得治療方案指導，請前往正規醫院就診。
