微生物细胞工厂被认为是生态友好且可持续的化学品生产方式，已广泛用于生物燃料、萜类化合物和其他高价值化学品的生产。在代谢途径复杂的情况下，实现高效生产通常需要精确的代谢调控，例如通过模块化工程或启动子工程进行基因表达的细致平衡。例如，通过替换启动子调控VST1的表达，白藜芦醇的产量提高了2.6倍；此外，通过调控PGI1和IDH2基因显著提高了脂肪酸的产量。然而，对于非传统酵母汉逊酵母，除了甲醇诱导型启动子外，其他启动子的种类和表征仍然有限，这阻碍了其在非甲醇培养基下的途径优化。作者旨在通过开发新型启动子并对基因表达进行精确调控，推动汉逊酵母在代谢工程中的应用，并探索其在β-榄香烯生产中的潜力。
图1 启动子识别通过精确调节代谢途径提高所需产品的生产
启动子库的构建与表征
首先，作者通过转录组数据分析，筛选出15种候选启动子，其中包括13种组成型启动子（强度范围为PGAP的0-55%）和2种生长阶段依赖型启动子。然后采用荧光蛋白（eGFP）对启动子进行表征，确定其在不同生长阶段的活性表现。特别是Pro-Y13和Pro-Y14在晚对数期和静止期表现出更高的活性。混合型启动子的设计显著提高了其活性，达到PGAP强度的50%，并在发酵晚期超越了PGAP。
图2 汉逊酵母来源启动子的筛选与特性分析
图3 启动子工程增强了两个生长阶段依赖启动子的效能
代谢通路的优化与重构
为了提高乙酰辅酶A的供应，研究结合启动子工程调控了戊糖磷酸途径（PPP）和EMP途径的关键基因表达。通过对甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAP）的表达进行适度抑制，进一步引导代谢流向PPP，从而增强了通过PK-PTA途径生成乙酰辅酶A的能力。此外，研究在工程菌株中引入了ERG20~LsLTC2融合酶，通过混合型启动子的阶段性表达提高了目标产物的生成效率，从而实现了β-榄香烯的高效生产。
β-榄香烯的高产
在分批发酵实验中，工程菌株YY150U在摇瓶发酵中实现了5.24 g/L的β-榄香烯最高产量，其葡萄糖转化率达到0.037 g/g。通过启动子工程对代谢途径的精确调控，显著提升了β-榄香烯的生产效率。结果表明：通过调控EMP途径的关键基因表达，可进一步增加PPP通量，从而增强乙酰辅酶A的供应和产物合成能力。与之前的研究相比，启动子工程结合代谢路径优化显著提升了β-榄香烯的生产性能，展示了精确代谢调控的巨大潜力。
图4 启动子工程的精确代谢调控促进了β-榄香烯的高产
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.synbio.2024.02.001
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摘译 | 左莎莎
编辑 | 王咏桐
左莎莎
陈嘉序
审核 | 刘 娟
