近日，華南理工大學生物科學與工程學院李爽教授課題組在Green Chemistry雜志（IF=10.18）上發表了一篇題為“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，非發酵碳源甘露醇為唯一碳源，構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，被廣泛應用于醫藥、化工、食品、化妝品等領域。傳統上萜烯生產依賴于化學合成或植物提取，存在高耗能、高污染、低產率、資源浪費等劣勢。近年借助于合成生物學手段，微生物細胞工廠已實現多種化學品的發酵生產。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，其溢流代謝導致副產物乙醇代謝通量過高而生物質得率較低。非發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的非發酵碳源，是廣泛存在于褐藻的主要儲備碳源。依靠大型海藻海水養殖的優勢，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，吸引了研究者的關注。
該研究從理論代謝網絡基元計算出發，模擬出甘露醇高效生產瓦倫西亞烯的代謝靈活性。經過1500多小時的適應性實驗室進化（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，以甘露醇為唯一發酵碳源，瓦倫西亞烯的產量和C/C轉化率分別提高3和5。基因組和轉錄水平分析揭示，甘露醇代謝為瓦倫西亞烯合成相關基因的轉錄和翻譯提供了更有利保障。通過合成生物學代謝調控手段，進一步優化前提供應、底物攝取速率及輔因子再生等，在3 L發酵罐實現瓦倫西亞烯產量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，被廣泛應用于食品、化妝品行業，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量達到g/L范圍，將具有絕對的價格優勢，且不受農業耕地、季節等條件限制。該研究也為萜類化合物的高效微生物生產開辟了一條新的道路。
該工作得到國家自然科學基金（21878104，22178131）和國家重點研發計劃項目（2018YFA0901504）的資助。
日期：2022-06-09
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，被廣泛應用于醫藥、化工、食品、化妝品等領域。傳統上萜烯生產依賴于化學合成或植物提取，存在高耗能、高污染、低產率、資源浪費等劣勢。近年借助于合成生物學手段，微生物細胞工廠已實現多種化學品的發酵生產。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，其溢流代謝導致副產物乙醇代謝通量過高而生物質得率較低。非發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的非發酵碳源，是廣泛存在于褐藻的主要儲備碳源。依靠大型海藻海水養殖的優勢，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，吸引了研究者的關注。
該研究從理論代謝網絡基元計算出發，模擬出甘露醇高效生產瓦倫西亞烯的代謝靈活性。經過1500多小時的適應性實驗室進化（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，以甘露醇為唯一發酵碳源，瓦倫西亞烯的產量和C/C轉化率分別提高3和5。基因組和轉錄水平分析揭示，甘露醇代謝為瓦倫西亞烯合成相關基因的轉錄和翻譯提供了更有利保障。通過合成生物學代謝調控手段，進一步優化前提供應、底物攝取速率及輔因子再生等，在3 L發酵罐實現瓦倫西亞烯產量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，被廣泛應用于食品、化妝品行業，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量達到g/L范圍，將具有絕對的價格優勢，且不受農業耕地、季節等條件限制。該研究也為萜類化合物的高效微生物生產開辟了一條新的道路。
該工作得到國家自然科學基金（21878104，22178131）和國家重點研發計劃項目（2018YFA0901504）的資助。
日期：2022-06-09
