Opportunities for yeast metabolic engineering: Lessons from synthetic biology
- 作者
- Anastasia Krivoruchko, Verena Siewers, Jens Nielsen
- 单位
- Department of Chemical and Biological Engineering, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden
- 杂志
- Biotechnology Journal（2011）
- DOI
- 10.1002/biot.201000308
- 所属领域
- 代谢工程与合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
探讨如何利用合成生物学的新工具（如RNA调控器件、启动子工程、非天然氨基酸等）拓展酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）代谢工程的能力。
研究策略
综述合成生物学在DNA、蛋白质、代谢通路及全细胞水平的最新进展，并分析其在酿酒酵母代谢工程中的应用案例与设计原则。
研究路线图
核心内容
该综述系统梳理了合成生物学工具在酿酒酵母代谢工程中的应用前景，从DNA、蛋白质、代谢通路到全细胞层面分析了设计原则与案例。文中列举了多项关键结果：在甲羟戊酸途径中，删除GDH1使cubebol产量提高85%，但因NADPH供应不足导致比生长速率下降，过表达GDH2可恢复生长；将ACC1天然启动子替换为强组成型启动子后，6-甲基水杨酸产量提升60%。在丁醇合成方面，酵母中重建的途径最高滴度仅2.5 mg/L，远低于梭菌的20 g/L，说明异源途径适配仍是瓶颈。此外，合成的582,970 bp支原体基因组可在酵母中以着丝粒质粒形式维持，展示了酵母作为合成基因组组装平台的潜力；利用分泌型荧光素酶高通量筛选了500个酵母启动子，rDNA位点的150个串联重复可用于多拷贝整合。这些结果说明合成生物学元件能有效拓展酵母代谢工程能力，但启动子、终止子和整合位点等工具库仍需大规模构建与表征，才能实现高效细胞工厂的快速开发。
创新点
系统阐述了合成生物学元件（启动子、RNA器件、蛋白质工程、合成调控网络）在酵母代谢工程中的应用潜力，并强调了酵母作为合成基因组组装平台的作用。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸通路 | ALD6 | 乙醛脱氢酶 | 催化 | 过表达以增加乙酰-CoA供应，提高异戊二烯产量 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸通路 | ERG9 | 法尼基二磷酸-角鲨烯合酶 | 催化 | 通过甲硫氨酸阻遏启动子下调表达，提高FPP衍生物积累 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸通路 | GDH1 | NADPH依赖性谷氨酸脱氢酶 | 催化 | 删除后使cubebol滴度提高85%，但降低比生长速率 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸通路 | GDH2 | NADH依赖性谷氨酸脱氢酶 | 催化 | 过表达补偿GDH1缺失导致的生长缺陷 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸通路 | HMG1 | 羟甲基戊二酰-CoA还原酶 | 催化 | 过表达其催化域以增加FPP池，提高倍半萜产量 |
| Saccharomyces cerevisiae | 聚酮合成 | ACC1 | 乙酰-CoA羧化酶 | 催化 | 用强组成型启动子替换其天然启动子，使6-MSA产量提高60% |
| Saccharomyces cerevisiae | 聚酮合成 | 6-MSAS | 6-甲基水杨酸合酶 | 催化 | 来自Penicillium patulum，异源表达合成6-MSA |
| Saccharomyces cerevisiae | 聚酮合成 | PPTase | 4'-磷酸泛酰巯基乙胺转移酶 | 催化 | 来自Aspergillus nidulans，激活6-MSAS |
| Saccharomyces cerevisiae | 丁醇合成 | — | 丁醇合成相关酶（多种来源） | 催化 | 重建1-丁醇途径，最高滴度2.5 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 异戊二烯合成 | — | 香叶醇合酶（来自罗勒） | 催化 | 将GPP转化为香叶醇 |
| Saccharomyces cerevisiae | 氨基酸转运 | — | Put4透性酶 | 转运 | 通过替换赖氨酸残基减少泛素化，提高蛋白水平 |
| Saccharomyces cerevisiae | 基因表达调控 | — | RNA适配体/核开关 | 调控 | 利用合成RNA器件进行配体响应性基因表达调控 |
关键发现
- 酿酒酵母中删除GDH1使cubebol产量提高85%，但比生长速率下降，过表达GDH2可恢复
- 用强组成型启动子替换ACC1天然启动子使6-甲基水杨酸(6-MSA)产量提高60%
- 在酵母中重建1-丁醇途径最高滴度仅2.5 mg/L，而梭菌可达20 g/L
- 合成的支原体基因组全长582,970 bp，可在酵母中以着丝粒质粒形式维持
- 利用分泌型荧光素酶高通量筛选了500个酵母启动子
- rDNA位点含有150个串联重复可用于多拷贝整合。
研究结论
合成生物学为酿酒酵母代谢工程提供了新的元件和策略，但需进一步构建和表征大量启动子、密码子优化基因、终止子和整合位点等库，以实现高效细胞工厂的快速构建。