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编辑：缪伊雯/ 主编：张大川、蒋羽鸽/ 学术顾问：寇兴然
华南理工大学娄文勇教授团队在Nature子刊《Nature Communications》发表高水平论文：适配酵母代谢利用异戊烯醇高效合成萜类化合物
Nature Communications
●近日，华南理工大学食品科学与工程学院娄文勇教授课题组在酿酒酵母中构建人工途径合成萜类化合物方面取得重要研究进展。团队首次发现了异戊烯醇会抑制酿酒酵母呼吸作用从而导致人工途径效率低的现象。为了解决这一问题，提出了构建依赖人工途径菌株的策略，即用人工途径代替天然途径。该策略使得菌株的生长与人工途径耦合，“迫使”细胞增强呼吸作用以维持生长繁殖，同时使得人工途径效率得到显著的提高。此外，团队基于生长耦合的特性，开发了一种简便、可靠和高效的高通量筛选方法应用于酶的定向进化，进一步增强了人工途径效率。最终，所得到的工程菌株在合成萜类化合物方面展示出了巨大的优势及应用潜力。该研究成果在食品、化妆品和医疗保健等领域具有重要意义，在国际顶级期刊Nature Communications上发表题为“Yeast metabolism adaptation for efficient terpenoids synthesis via isopentenol utilization”的研究论文。华南理工大学娄文勇教授和曹宇飞副教授为论文的共同通讯作者；华南理工大学2021级博士生李广健为论文第一作者。上述工作得到国家重点研发计划（2022YFD2101402）、国家自然科学基金(22408113, 22078111, 22108089)等项目支持。
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成果介绍
背景介绍
萜类化合物是广泛存在于动物、植物和微生物中的天然产物，对维持正常生命活动至关重要。它们可作为微量营养素、香料和着色剂，广泛应用于食品等领域。然而，传统的提取方法已难以满足市场对萜类化合物日益增长的需求。合成生物学的进步极大地推动了微生物细胞工厂的设计与构建，为萜类化合物的生产提供了可持续且可扩展的解决方案。目前，一些高价值的萜类化合物已通过工程菌株成功合成，如β-胡萝卜素、7-脱氢胆固醇和角鲨烯等。
甲羟戊酸（MVA）和甲基赤藓糖醇4-磷酸（MEP）途径是萜类化合物合成的两种经典生物途径。经过几十年的深入研究，人们对这两种途径的理解和改造已取得实质性进展。然而，这些途径仍存在固有缺陷，例如合成步骤繁多以及需要多种辅因子，因而在微生物的代谢工程改造中较为复杂。近年来，异戊烯醇利用（IU）途径作为萜类化合物合成的有前景替代途径逐渐引起关注。该途径的特点是通过简单的两步反应将大宗化学品异戊烯醇转化为萜类化合物的C5前体——二磷酸异戊烯基（IPP）和二磷酸二甲基烯基（DMAPP），并且仅需ATP作为辅助因子，极大简化了菌株的代谢工程改造。目前，大肠杆菌是IU途径的主要表达宿主，但其安全性较差，限制了其在工业中的应用。相比之下，酿酒酵母因其安全性被广泛认可，是萜类化合物合成的理想平台，然而IU途径在酿酒酵母中的应用效果尚未达到预期。
针对上述问题，娄文勇教授团队深入研究了酿酒酵母代谢与人工途径的适配性，并提出了生长耦合策略，显著提升了人工途径在酿酒酵母中的合成效率。
文章要点
娄文勇教授团队发现异戊烯醇底物抑制酿酒酵母呼吸作用的现象，并通过理性分析和基因组代谢网络模型指导，提出了构建依赖异戊烯醇利用途径（IUPD）菌株的策略。然而，IUPD菌株的生长仅为野生型酵母的26%，推测可能是由于IU途径酶活较低所致。通过基因挖掘和组合表达，发现SmDAGK和AtIPK可以恢复IUPD菌株的生长至正常水平，令人欣慰的是，角鲨烯的积累量也提高了15倍。与直接引入IU途径的菌株相比，IUPD菌株的SmDAGK和AtIPK基因表达水平并无显著差异。为了深入探讨IUPD菌株背后的代谢机制，研究团队通过转录组学测序揭示了全局基因转录水平的变化。结果表明，IUPD菌株的细胞呼吸作用更为活跃，表明能够满足高ATP需求，从而维持生长并实现较高的IU途径通量。有趣的是，当将MVA途径回补到IUPD菌株时，IU途径的通量显著下降，这进一步验证了策略的有效性。基于生长耦合特性，团队开发了一种简便、可靠且高效的高通量筛选方法用于酶的定向进化。对AtIPK和SmDAGK两个酶的46个位点进行随机饱和突变后，筛选出了效率提高153%的有效突变体SmDAGKS47A, L124A 和AtIPKS270P, A272R。最终，团队通过合成三种不同的萜类化合物—柠檬烯、角鲨烯和β-胡萝卜素，与对照组相比，单位产率分别提高了695倍、850倍和18倍，充分表现出IUPD菌株在萜类化合物合成方面的巨大潜力。
图文赏析
图1 酿酒酵母中构建IU途径的理性分析
图2 IU途径依赖菌株的构建
图3 增强IU途径通量以促进细胞生长
图4 IU途径中酶的定向进化
图5 IUPD菌株合成萜类化合物的优势
参考文献
Title: Yeast metabolism adaptation for efficient terpenoids synthesis via isopentenol utilization (IF: 14.7, Q1)
DOI: 10.1038/s41467-024-54298-8
原文链接
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54298-8
专家/团队介绍
娄文勇，教授，博士生导师，华南理工大学食品科学与工程学院副院长（主持工作），党委副书记，广东省预制菜（食品）工程技术研究中心主任，国家食药同源产业科技创新联盟食药发酵产业专业委员会名誉主任委员，中国食品科学技术学会传统酿造食品分会理事会常务理事，广东省食品学会副理事长；全国百篇优秀博士学位论文作者、国家优秀青年学科基金获得者（首届优青）、教育部新世纪优秀人才，广东省“千百十工程”国家级培养对象、“百千万工程”领军人才；连续多年入选全球前2%顶尖科学家榜单（终身学术影响力榜），获广东省自然科学类二等奖、中国轻工业联合会“十一五”科技创新先进个人奖，国际遗传工程机器大赛（iGEM）金奖（指导老师）以及中国石油和化学工业协会青年科技突出贡献奖。2005年获华南理工大学生物化工专业博士学位，2007年赴英国Warwick大学从事合作研究。研究方向为食品生物技术、生物催化过程调控与应用、食品功能因子的挖掘及生物制造、营养素的包裹及定向递送等。承担过国家重点研发计划，国家自然科学基金、广东省重点研发计划、广东省自然科学基金重点项目、校企合作项目等30余项。在Nat. Commun., Microbiome, Coordin. Chem. Rev., Biotechnol. Adv., Small, Biotechnol. Bioeng., CEJ, J. Agric. Food Chem., Food Hydrocoll.等著名刊物上发表了SCI论文150余篇 (封面论文9篇, ESI高被引论文5篇，热点论文1篇), 他引7000余次，h因子48；担任Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, Frontiers in Microbiology等刊物副主编，Bioresources and Bioprocessing和《中国食品学报》等刊物编委；获授权中国发明专利55件、国际PCT专利（美国）3件，转让专利11件；主编中文专著3本及英文专著1本，参编中英文专著6本；多项科研成果已实现了产业化推广。
曹宇飞，华南理工大学副教授，博士生导师。主要从事酶催化与化学催化复合、酶分子理性设计、电催化、计算生物学、计算化学、食品检测与大数据分析等研究。已在Nature Catalysis、Nature Communications、Trends in Biotechnology、JACS Au、ACS Nano等期刊上发表SCI论文20余篇。
李广健，华南理工大学2021级博士生。主要从事微生物合成生物学、代谢工程和酶工程等研究。已在Nature Communications、Journal of Agricultural and Food Chemistry、Frontiers in Bioengineering and Biotechnology期刊上发表SCI论文5篇。授权/申请中国发明专利3项。
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