Frontiers of yeast metabolic engineering: diversifying beyond ethanol and Saccharomyces
- 作者
- Leqian Liu, Heidi Redden, Hal S Alper
- 单位
- Department of Chemistry and Biochemistry, The University of Texas at Austin; Department of Chemical Engineering, The University of Texas at Austin; Institute for Cellular and Molecular Biology, The University of Texas at Austin
- 杂志
- Current Opinion in Biotechnology（2013）
- DOI
- 10.1016/j.copbio.2013.03.005
- 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
酵母代谢工程如何超越传统的乙醇和酿酒酵母，成为多种高价值化学品的生产平台，并解决产量低于细菌宿主的问题。
研究策略
综述近年来酵母代谢工程在醇类、糖衍生物、有机酸、脂质、萜烯、芳香族和聚酮等化学品生产中的进展，重点介绍非传统酵母、亚细胞区室化、模块化途径工程和合成生物学工具的应用。
核心内容
该综述系统梳理了酵母代谢工程在超越传统乙醇生产方面的前沿进展，重点探讨了如何将酿酒酵母及非传统酵母（如解脂耶氏酵母、毕赤酵母、裂殖酵母等）开发为高价值化学品的通用生产平台。文章归纳了多种关键工程策略，包括利用线粒体亚细胞区室化提升支链醇产量、通过模块化途径工程和DNA assembler技术快速组装聚酮合酶途径，以及将异丁醇合成途径从线粒体重定位至胞质以优化碳通量。关键结果显示了酵母在生产多种产品中的潜力：异丁醇经缬氨酸途径过表达达143 mg/L，胞质重定位和线粒体区室化分别提升至0.63 g/L和0.64 g/L；解脂耶氏酵母产赤藓醇80 g/L和柠檬酸154 g/L；酿酒酵母产青蒿素前体amorpha-4,11-二烯超过40 g/L；白藜芦醇达391 mg/L，香草醛500 mg/L。此外，表面展示minicellulosomes使纤维素乙醇产量达1.4 g/L，木糖和纤维二糖共发酵将乙醇生产率从0.27 g/L·h提高到0.65 g/L·h。这些结果意味着酵母凭借其亚细胞区室化、高耐受性和物种多样性，正逐步成为可替代大肠杆菌的工业化学品生产底盘，但部分产品产量仍落后于细菌宿主，需借助系统与合成生物学工具进一步优化代谢网络与调控机制。
创新点
系统总结酵母生产多种化学品的工程策略，包括线粒体区室化提高支链醇产量、非传统酵母（如解脂耶氏酵母、毕赤酵母）的应用、DNA assembler快速组装聚酮合酶途径、以及通过胞质重定位优化异丁醇合成等。
研究对象（21）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 乙醇发酵 | — | — | 催化 | 通过表面展示minicellulosomes实现纤维素乙醇生产，滴度1.4 g/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 丁醇合成 | — | — | 催化 | 以半乳糖为碳源，丁醇产量2.5 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 异丁醇合成 | — | 缬氨酸生物合成酶 | 催化 | 过表达缬氨酸途径基因后异丁醇达143 mg/L，胞质重定位后达0.63 g/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 支链醇合成 | — | 埃利希途径酶 | 区室化 | 将合成途径靶向线粒体，异丁醇0.64 g/L，异戊醇0.1 g/L，2-甲基-1-丁醇0.12 g/L |
| Yarrowia lipolytica | 糖醇合成 | — | — | 催化 | 以甘油为原料，赤藓醇80 g/L，甘露醇27.6 g/L |
| Ashbya gossypii | 核黄素合成 | — | — | 催化 | 通过差异诱变获得高产菌株，核黄素产量13.7 g/L |
| Yarrowia lipolytica | 柠檬酸合成 | — | — | 催化 | 以甘油为底物，重复分批发酵柠檬酸154 g/L |
| Candida boidinii | L-乳酸合成 | — | — | 催化 | 工程菌株产L-乳酸85.9 g/L |
| Schizosaccharomyces pombe | 蓖麻油酸合成 | 油酸Δ12-羟化酶基因（来自麦角菌） | 油酸Δ12-羟化酶 | 催化 | 蓖麻油酸137 μg/mL，占总脂肪酸52.6% |
| Saccharomyces cerevisiae | 生物柴油合成 | 蜡酯合酶基因（来自海杆菌） | 蜡酯合酶 | 催化 | 表达腊酯合酶并上调乙酰辅酶A，生物柴油产量8.2 mg/L |
| Pichia ciferrii | 鞘氨醇碱合成 | — | — | 催化 | 生产四乙酰植物鞘氨醇2 g/L，稀有鞘氨醇碱890 mg/kg |
| Saccharomyces cerevisiae | 青蒿素前体合成 | — | — | 催化 | amorpha-4,11-二烯产量超过40 g/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 倍半萜合成 | — | — | 催化 | 广藿香醇40.9 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 二萜合成 | — | — | 催化 | miltiradiene产量365 mg/L（生物反应器） |
| Phaffia rhodozyma | 类胡萝卜素合成 | — | — | 催化 | 突变株虾青素产量2.6 mg/g |
| Saccharomyces cerevisiae | 白藜芦醇合成 | 4-香豆酰辅酶A连接酶基因、白藜芦醇合酶基因 | 4-香豆酰辅酶A连接酶、白藜芦醇合酶 | 催化 | 通过酶融合和合成支架提高产量，工业菌株丰富培养基中达391 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 黄酮类合成 | 苯丙氨酸解氨酶基因、4-香豆酰辅酶A连接酶基因、查尔酮合酶基因、查尔酮异构酶基因 | 苯丙氨酸解氨酶、4-香豆酰辅酶A连接酶、查尔酮合酶、查尔酮异构酶 | 催化 | 柚皮素产量28 mg/L，比大肠杆菌高62倍 |
| Saccharomyces cerevisiae | 香草醛合成 | — | — | 催化 | 通过计算机模拟设计和发酵优化，香草醛产量500 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 粘康酸合成 | — | — | 催化 | 摇瓶条件下粘康酸产量超过140 mg/L，为芳香族衍生物最高水平 |
| Saccharomyces cerevisiae | 聚酮化合物合成 | I型聚酮合酶基因（DNA assembler组装） | 聚酮合酶 | 催化 | aureothin产量6.1 mg/L |
| Hansenula polymorpha | 青霉素合成 | — | — | 催化 | 工程酵母分泌青霉素，产量1 mg/L |
关键发现
- 酵母已成功生产多种高价值化学品，具体包括：酿酒酵母产丁醇2.5 mg/L
- 异丁醇通过缬氨酸途径过表达达143 mg/L，再经胞质重定位提升至0.63 g/L，线粒体区室化获得0.64 g/L异丁醇、0.1 g/L异戊醇和0.12 g/L 2-甲基-1-丁醇
- 解脂耶氏酵母产赤藓醇80 g/L、甘露醇27.6 g/L
- 棉阿舒囊霉产核黄素13.7 g/L
- 解脂耶氏酵母产柠檬酸154 g/L
- 博伊丁假丝酵母产L-乳酸85.9 g/L
- 裂殖酵母产蓖麻油酸137 μg/mL（占总脂肪酸52.6%）
- 酿酒酵母产生物柴油8.2 mg/L
- 毕赤酵母产四乙酰植物鞘氨醇2 g/L
- 酿酒酵母产青蒿素前体amorpha-4,11-二烯超过40 g/L
- 广藿香醇40.9 mg/L
- miltiradiene 365 mg/L
- β-胡萝卜素5.9 mg/g
- 法夫酵母产虾青素2.6 mg/g
- 白藜芦醇391 mg/L
- 柚皮素28 mg/L
- 香草醛500 mg/L
- 粘康酸140 mg/L
- 聚酮aureothin 6.1 mg/L
- 多形汉逊酵母产青霉素1 mg/L。此外，通过表面展示minicellulosomes实现纤维素乙醇产量1.4 g/L，木糖和纤维二糖共发酵使乙醇生产率从0.27 g/L·h提高到0.65 g/L·h。
研究结论
酵母凭借其亚细胞区室化、高耐受性和非传统酵母的多样性，正逐步成为替代大肠杆菌的工业化学品生产平台，已成功实现醇类、有机酸、萜烯、芳香族等多元产品的生物合成，但部分产品的产量仍低于细菌宿主，需要借助系统与合成生物学进一步优化代谢网络和调控机制。