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微生物生物合成已成为大规模生产萜类化合物的主要商业方法，萜类化合物是一类有价值的天然产物。然而，提高萜类化合物的生产需要对宿主生物进行复杂的修饰。最近，一种仅依赖ATP作为辅助因子的两步异戊烯醇利用（IU）途径被提出作为甲羟戊酸（MVA）途径的替代途径，简化了常见萜类前体的合成。
2024 年 11 月 13 日，华南理工大学娄文勇及曹宇飞共同通讯在 Nature Communications （IF=14.7）在线发表题为 “Yeast metabolism adaptation for efficient terpenoids synthesis via isopentenol utilization” 的研究论文。该研究发现异戊烯醇抑制能量代谢，导致酿酒酵母中IU途径的效率降低。
为了克服这个问题，作者设计了一种IU途径依赖（IUPD）菌株，用于生长偶联生产。IUPD菌株被迫增强ATP供应，这是IU途径所必需的，并结合了酶进化的高通量筛选方法。精制IU途径在合成复合萜类化合物方面优于MVA途径。这项工作为开发适应高效天然产物合成的生长偶联菌株提供了有价值的见解。
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萜类化合物，又称类异戊二烯，是在动物、植物和微生物中发现的丰富的天然化合物，在维持正常的生物活性中起着至关重要的作用。这些化合物具有广泛的应用，包括在香料、生物燃料、着色剂、微量营养素、化妆品和医药等方面的应用。然而，常规的提取方法不足以满足日益增长的萜类化合物的市场需求。合成生物学技术使微生物细胞工厂的设计和构建成为可能，为萜类化合物的生产提供了可持续和可扩展的解决方案。一些有价值的萜类化合物已通过工程菌成功合成，如视黄醇、类胡萝卜素、熊果酸和莱鲍迪苷。甲羟戊酸（MVA）和甲基赤藓糖醇4-磷酸（MEP）途径是萜类化合物的两种经典生物合成途径，几十年的广泛研究使人们对这些过程的理解取得了实质性进展。尽管取得了这些成就，但许多酶的参与和对辅助因子的高需求使得这两条过长的途径对萜类化合物的生产具有固有的挑战性。复杂的微生物工程是必要的，包括内源性酶及其变体的过度表达，或引入异源酶，以增强前体的供应，并维持细胞生长和目标生产之间的平衡。近年来，异戊烯醇利用（isoopentenol utilization， IU）途径已成为一种很有前途的萜类化合物合成途径。IU途径的特点是由经济大宗化学品异戊烯醇两步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）， ATP是唯一的辅助因子。这一途径极大地简化了菌株代谢工程中的挑战。IU 通路依赖性菌株的构建（图源自Nature Communications）
IU途径已被用于合成多种萜类化合物，主要是在大肠杆菌中。然而，大肠杆菌在合成复杂的天然化合物方面存在固有的局限性，因为它们的生产通常需要参与糖蛋白，膜蛋白和其他元素。由于缺乏翻译后修饰系统，使其在蛋白质折叠和修饰方面效果较差。相比之下，酿酒酵母作为一种被广泛应用的真核模式生物，由于其明确的遗传背景和可行的遗传操作工具，在合成天然产物方面表现优异。作为萜类化合物的主要生产平台之一，人们一直在努力将IU途径引入酿酒酵母中进行萜类化合物的合成。然而，引入IU途径和非天然底物利用对酿酒酵母细胞代谢的影响尚不清楚。改造酿酒酵母适应非天然合成途径，提高IU途径生产萜类化合物的效率，对其应用具有重要意义。在这项工作中，作者揭示了异戊烯醇抑制酿酒酵母的TCA循环和细胞呼吸链，导致ATP供应不足，从而降低IU途径的效率。为了解决这个问题，该研究构建了一个IU途径依赖（IUPD）菌株，用IU途径代替MVA途径。IUPD菌株的生长与IU途径耦合，迫使细胞增强ATP的产生以维持生长和繁殖。为了进一步提高萜类化合物的产量，开发了一种高通量筛选酶进化的方法。经工程处理的IUPD菌株角鲨烯积累量增加了152.95%。这项工作强调了生长偶联策略在提高酿酒酵母萜类化合物产量方面的优势，为酶的适应性进化提供了一个平台，并证明了在其他细胞中构建生长偶联特性。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54298-8![]()
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