Yarrowia lipolytica as a promising cell factory for microbial production of value-added nutraceuticals
- 作者
- Soseon Lee, Ju Hyeon Lee, Hyun June Park, Seung-Ho Baek
- 单位
- Center for Bio-based Chemistry, Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Ulsan, Republic of Korea; Department of Biotechnology, Duksung Women's University, Seoul, Republic of Korea
- 杂志
- Frontiers in Bioengineering and Biotechnology（2025）
- DOI
- 10.3389/fbioe.2025.1673169
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
传统植物提取与化学合成法生产营养保健品存在产量低、季节性、环境问题与规模化限制，亟需建立可持续的微生物细胞工厂；解脂耶氏酵母虽具有产乙酰-CoA前体等优势，但需克服代谢瓶颈、前体供给不足及产物毒性等挑战。
研究策略
综合利用代谢工程（增强乙酰-CoA供给、改造β-氧化、柠檬酸裂解酶途径、阻断竞争通路）、合成生物学（过氧化物酶体/线粒体区室化、生物传感器动态调控）与系统生物学（基因组规模代谢模型、多组学分析）来优化解脂耶氏酵母细胞工厂。
核心内容
该研究系统综述了以解脂耶氏酵母为底盘细胞生产萜类、类黄酮和鞘脂等高值营养保健品的代谢工程与合成生物学策略。针对传统植物提取和化学合成存在的产量低、季节性及环境限制等问题，作者总结了多种优化手段，包括增强乙酰-CoA前体供给、调控β-氧化途径、改造柠檬酸裂解酶通路以增加胞质乙酰-CoA，并通过过氧化物酶体区室化提高产物积累能力。同时，利用转录因子生物传感器实现动态代谢调控，并结合基因组规模代谢模型与多组学分析识别新的工程改造靶点。综述中列举了代表性产量成果，如通过代谢工程优化后β-胡萝卜素达39.5 g/L，角鲨烯达51.2 g/L，β-法尼烯达28.9 g/L，广藿香醇较初始提高了1684倍。此外，通过敲除SUR2和SLD1并表达小鼠碱性神经酰胺酶，实现人型鞘氨醇碱及葡萄糖神经酰胺的高效生产。这些结果表明，凭借丰富的乙酰-CoA通量、GRAS安全地位和成熟的遗传工具，解脂耶氏酵母已成为高值营养保健品微生物合成的潜力平台。未来通过整合多尺度建模、CRISPRi/a、适应性进化和工业纯化技术，有望推进其经济可行的工业化应用。
创新点
系统总结了通过过氧化物酶体区室化提高类胡萝卜素产量、利用转录因子生物传感器实现动态代谢控制、以及整合多组学数据识别新工程靶点等先进策略。
研究对象（24）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Yarrowia lipolytica | 乙酰-CoA合成 | PDA1, PDB1, LAT1 | 丙酮酸脱氢酶复合体 | 催化 | 平衡表达三个亚基以增强乙酰-CoA供给 |
| Yarrowia lipolytica | β-氧化 | POX1-POX6, MFE, POT | 酰基-CoA氧化酶、双功能酶、硫解酶 | 催化 | 过表达β-氧化酶系将脂肪酸转化为乙酰-CoA |
| Yarrowia lipolytica | 柠檬酸裂解途径 | ACL1, ACL2 | ATP-柠檬酸裂解酶 | 催化 | 异源表达来自小鼠的ATP-柠檬酸裂解酶，将柠檬酸转化为乙酰-CoA和草酰乙酸 |
| Yarrowia lipolytica | 脂肪酸合成 | ACC1 | 乙酰-CoA羧化酶 | 催化 | 过表达ACC1增加丙二酰-CoA池 |
| Yarrowia lipolytica | 甲羟戊酸（MVA）途径 | HMG1, ERG10, ERG13, ERG12, ERG8, ERG19, IDI1, ERG20 | HMG-CoA还原酶、HMG-CoA合酶、甲羟戊酸激酶等 | 催化 | 优化MVA途径以增强IPP/DMAPP和萜类前体供给 |
| Yarrowia lipolytica | 萜类合成 | LS | D-柠檬烯合酶（来自Citrus limon） | 催化 | 与ERG20融合表达并区室化，产量0.069 g/L |
| Yarrowia lipolytica | 萜类合成 | GS | 香叶醇合酶（来自Catharanthus roseus） | 催化 | 三拷贝GS与tHMG1、IDI1等共表达，产量约1 g/L（摇瓶） |
| Yarrowia lipolytica | 萜类合成 | BFS | β-法尼烯合酶（来自Artemisia annua） | 催化 | 与苹果酸酶和ATP-柠檬酸裂解酶共表达，产量28.9 g/L |
| Yarrowia lipolytica | 萜类合成 | PCS | 广藿香醇合酶突变体（来自Pogostemon cablin） | 催化 | 整合突变体PCS并优化FPP供给，产量2.864 g/L（反应器） |
| Yarrowia lipolytica | 萜类合成 | VS | 瓦伦烯合酶（来自Eryngium glaciae） | 催化 | 筛选高活性突变型VS，融合ERG20，产量3.34 g/L |
| Yarrowia lipolytica | 萜类合成 | ERG9 | 角鲨烯合酶 | 催化 | 过表达ERG9并结合过氧化物酶体区室化，产量51.2 g/L |
| Yarrowia lipolytica | 类胡萝卜素合成 | crtE, crtB, crtI (来自Pantoea ananatis/Lamprocystis purpurea), CarB, CarRP, crtYB | 八氢番茄红素合酶、番茄红素环化酶、八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 多拷贝整合和蛋白工程，β-胡萝卜素39.5 g/L，番茄红素5.1 g/L |
| Yarrowia lipolytica | 类胡萝卜素合成 | BCH, BCK | β-胡萝卜素羟化酶和酮化酶（来自藻类） | 催化 | 完整虾青素途径，产量2.8 g/L |
| Yarrowia lipolytica | 鞘脂合成 | LCB1, LCB2, TSC3-1, TSC3-2 | 丝氨酸棕榈酰转移酶 | 催化 | 鞘脂合成第一步，生成3-酮二氢鞘氨醇 |
| Yarrowia lipolytica | 鞘脂合成 | SUR2, SLD1 | C4-羟化酶、Δ8-脱饱和酶 | 催化 | 敲除SUR2和SLD1以积累非乙酰化二氢鞘氨醇 |
| Yarrowia lipolytica | 鞘脂合成 | ACER | 碱性神经酰胺酶（来自小鼠） | 催化 | 异源表达促进非乙酰化长链碱基生成，产量1.4 g/L |
| Yarrowia lipolytica | 鞘脂合成 | Sli1p, Atf2p | 乙酰转移酶（来自Wickerhamomyces ciferrii） | 催化 | 共表达生产四乙酰植物鞘氨醇，产量0.65 g/L |
| Yarrowia lipolytica | 类黄酮合成 | ARO4, ARO2, ARO7, TAL, TKL1 | DAHP合酶、分支酸变位酶、酪氨酸解氨酶、转酮醇酶 | 催化 | 增强莽草酸途径和丙二酰-CoA供给，柚皮素达8.3 g/L |
| Yarrowia lipolytica | 类黄酮合成 | FNS, F4'OMT | 黄酮合酶、类黄酮4'-O-甲基转移酶 | 催化 | 从柚皮素生产金合欢素，产量1.1 g/L（摇瓶） |
| Yarrowia lipolytica | 类黄酮合成 | F3H | 黄烷酮-3-羟化酶（来自Solanum lycopersicum） | 催化 | 与透明颤菌血红蛋白共表达提高二氢槲皮素产量4.2 g/L |
| Yarrowia lipolytica | 亚细胞区室化 | PTS1, PTS2 | 过氧化物酶体靶向信号 | 区室化 | 将类胡萝卜素合成途径靶向过氧化物酶体以提高产量 |
| Yarrowia lipolytica | 亚细胞区室化 | MVA途径基因 | 甲羟戊酸途径酶 | 区室化 | 将MVA途径靶向线粒体，增强前体供给并维持能量稳态 |
| Yarrowia lipolytica | 代谢调控 | 转录因子生物传感器 | 响应乙酰-CoA/丙二酰-CoA/FPP的转录因子 | 调控 | 用于高通量筛选和动态代谢控制 |
| Yarrowia lipolytica | 辅因子供给 | NAD+再生相关基因 | NAD+激酶/脱氢酶等 | 能量供给 | 优化NAD+再生以维持丙酮酸脱氢酶在高通量下的运行 |
关键发现
- β-胡萝卜素产量达39.5 g/L
- 番茄红素达5.1 g/L
- 虾青素达2.8 g/L
- 角鲨烯达51.2 g/L
- β-法尼烯达28.9 g/L
- 广藿香醇达2.864 g/L（较初始提高1684倍）
- 瓦伦烯达3.34 g/L
- 香叶醇约1 g/L（摇瓶）
- D-柠檬烯达0.069 g/L
- 芳樟醇达0.109 g/L
- 香叶基香叶醇达3.346 g/L
- 西棕榈醇（sclareol）达12.9 g/L
- 柚皮素达8.3 g/L（补料分批）
- 金合欢素达1.1 g/L
- 二氢槲皮素达4.2 g/L
- 四乙酰植物鞘氨醇达650 mg/L
- 非乙酰化二氢鞘氨醇达1.4 g/L
- 通过敲除SUR2和SLD1并表达小鼠碱性神经酰胺酶实现人型鞘氨醇碱及葡萄糖神经酰胺的高效生产。
研究结论
解脂耶氏酵母凭借其丰富的乙酰-CoA代谢通量、GRAS安全地位及先进的遗传工具，已成为生产萜类、类黄酮和鞘脂等高价值营养保健品的潜力平台；未来需整合多尺度建模、CRISPRi/a、适应性实验室进化和工业下游纯化技术，以实现经济可行的工业化生产。