Recent developments of oleaginous yeasts toward sustainable biomanufacturing
- 作者
- Paul A Adamczyk, Tian Jiang, Karuna Jetty, Vijaydev Ganesan, Di Liu
- 单位
- Agile Biofoundry, Emeryville, CA, USA; Sandia National Laboratories, Livermore, CA, USA; Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA
- 杂志
- Current Opinion in Biotechnology（2025）
- DOI
- 10.1016/j.copbio.2025.103297
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
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解决的核心问题
产油酵母的独特代谢机制和遗传工具开发相对滞后，限制了其作为可持续生物制造底盘的高效利用
研究策略
综述近年来在系统生物学与多组学解析代谢、遗传工具开发、多样化原料利用以及菌株工程改造方面的研究进展
研究路线图
核心内容
产油酵母因脂质积累能力突出（可达细胞干重85%）而成为可持续生物制造的重要底盘，但其代谢机制解析和遗传工具开发滞后制约了应用。该综述系统梳理了近年来相关进展：在工具层面，Yarrowia lipolytica已建立覆盖超94%基因组的CRISPR/Cas9 sgRNA文库并发现4个脂质积累新靶点，CRISPRi文库则揭示14个抑制剂耐受基因，启动子与标记物工具箱持续扩充；在策略层面，整合基因组规模模型与机器学习解析调控网络，实现了木质纤维素水解液和C1原料的利用，并借助过氧化物酶体区室化等工程手段提升产物合成。代表性结果包括：基因组尺度模型指导的Cutaneotrichosporon oleaginosus工程菌在甘油限定培养基上脂质含量达56 wt%，Trichosporon cutaneum经适应性进化脂质产量提高6倍，Y. lipolytica工程菌生产神经酸达44.2 g/L、β-farnesene达31.9 g/L、琥珀酸达160 g/L。这些进展表明产油酵母已具备生产油脂化学品、萜类和有机酸等多类产品的潜力，未来需拓展遗传工具至更多物种、深化机制解析并推进放大与生命周期评估，以加速产业化。
创新点
开发了覆盖全基因组的CRISPR/Cas9及CRISPRi文库，扩展了启动子与标记物工具箱，利用GEM和机器学习解析调控网络，实现木质纤维素水解液和C1原料的利用，采用过氧化物酶体区室化和基因调控等策略提升产物滴度
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Yarrowia lipolytica | 乙酰-CoA代谢/脂质合成 | ACL | ATP citrate lyase | 催化 | 提供氮限制下高细胞质乙酰-CoA通量 |
| Yarrowia lipolytica | 萜类合成（甲羟戊酸途径） | LPP, sclareol synthase, farnesene synthase | — | 催化 | 用于生产sclareol（12.9 g/L）和β-farnesene（31.9 g/L） |
| Yarrowia lipolytica | 甲羟戊酸途径 | — | — | 区室化 | 将甲羟戊酸途径区室化到过氧化物酶体以提升β-farnesene产量 |
| Rhodosporidium toruloides | D-木糖/L-阿拉伯糖代谢 | — | — | 催化 | 经D-阿拉伯糖醇和D-核酮糖进入核酮糖-5-磷酸的替代途径 |
| Cutaneotrichosporon oleaginosus | 脂质合成 | — | — | 催化 | GEM指导的过表达，在甘油限定培养基上达到56 wt%脂质 |
| Lipomyces starkeyi | 脂质合成 | SNF1 | Snf1蛋白激酶 | 调控 | 缺失SNF1增强脂质积累 |
| Saitozyma podzolica | 脂质合成 | GAT1 | GATA家族转录因子 | 调控 | 过表达GAT1促进脂质积累 |
| Trichosporon cutaneum | 酚醛抑制剂降解 | aldehyde dehydrogenase, alcohol dehydrogenase | — | 催化 | 适应性进化后上调表达，脂质产量提高6倍且呋喃醛耐受增强 |
| Yarrowia lipolytica | 离子液体耐受 | 参与有丝分裂/染色质分离/高尔基体囊泡运输的基因 | — | 调控 | 进化菌株耐受18% (v/v) 1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐 |
| Rhodosporidium toruloides | 脂质合成 | 信号级联、蛋白修饰、自噬、tRNA硫化相关基因 | — | 调控 | 功能基因组学鉴定这些基因调控脂质积累 |
| Yarrowia lipolytica | 抑制剂耐受 | 14个新基因靶点 | — | 调控 | 全基因组CRISPRi文库揭示与糠醛和乙酸耐受相关 |
| Starmerella bombicola | 槐糖脂合成 | — | — | 催化 | 胞外产生槐糖脂达200 g/L |
| Rhodotorula paludigena BS15 | 脂肪酸多元醇酯（PEFA）合成 | — | — | 催化 | 胞外产生PEFA达120 g/L |
| Cryptococcus curvatus | 糖共利用 | — | — | 转运 | 能同时利用葡萄糖和纤维二糖 |
| Rhodotorula mucilaginosa | 糖共利用 | — | — | 转运 | 能同时利用葡萄糖和乙酸 |
| Cutaneotrichosporon oleaginosus | 遗传工具箱 | 启动子、抗生素标记 | — | 调控 | 扩展了可用的启动子和新抗生素抗性标记 |
关键发现
- 产油酵母脂质可积累至细胞干重的85%
- Y. lipolytica中Cas9 sgRNA文库覆盖>94%基因组，发现4个脂质积累新靶点
- CRISPRi文库揭示14个抑制剂耐受基因
- GEM指导的C. oleaginosus工程在甘油限定培养基上达到56 wt%脂质
- 野生型R. toruloides可降解80-100%的非致死浓度木质纤维素抑制剂
- T. cutaneum经适应性进化脂质产量提高6倍并增强呋喃醛耐受
- Y. lipolytica离子液体耐受达18% (v/v)
- 工程菌株生产神经酸达44.2 g/L（0.23 g/L/h），sclareol达12.9 g/L，β-farnesene达31.9 g/L
- 有机酸中柠檬酸111 g/L、α-酮戊二酸56.5 g/L、琥珀酸160 g/L、衣康酸4.6 g/L、D-阿拉伯糖醇49 g/L、赤藓糖醇80.6 g/L、indigoidine 18 g/L
- 槐糖脂200 g/L、PEFA 120 g/L
研究结论
产油酵母作为可持续生物制造平台已取得显著进展，展现出生产油脂化学品、萜类、有机酸等产品的巨大潜力；未来需加强遗传工具在更多物种中的拓展、深化机制解析、推进放大研究，并集成TEA/LCA以加快产业化进程