Advances in the sustainable biosynthesis of valuable terpenoid flavor compounds and precursors in micro-organisms
- 作者
- Qian Li, Yibo Ning, Deyu Liu, Jie Ren, Changtong Lu, Zhifei Chen, Guanglu Wang
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels and Bioproducts（2025）
- DOI
- 10.1186/s13068-025-02699-2
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
传统植物提取和化学合成萜类香料面临原材料含量低、提取成本高、环境污染等问题，难以满足市场需求；需要开发基于微生物细胞工厂的绿色高效合成路线，以提高萜类风味化合物及其前体的产量和经济性。
研究策略
综述了微生物合成萜类风味化合物及其前体的共同生物合成机制，总结了利用代谢工程与合成生物学策略（如模块化途径工程、CRISPR/Cas9基因组编辑、酶工程、蛋白支架级联催化、细胞器区室化、机器学习辅助筛选、适应性进化、微生物共培养等）提升合成效率的方法。
核心内容
该综述系统总结了微生物合成萜类风味化合物及其前体的代谢工程与合成生物学策略。研究围绕传统植物提取和化学合成路线存在原料含量低、成本高和环境污染等瓶颈，提出以微生物细胞工厂为核心的绿色替代方案。文中梳理了模块化途径工程、CRISPR/Cas9基因组编辑、酶工程、蛋白支架级联催化、细胞器区室化、机器学习辅助筛选、适应性进化及微生物共培养等策略，并通过多物种案例验证其效果。关键结果方面，酿酒酵母经中心碳代谢优化后β-法尼烯在20万升工业发酵罐中产量达130 g/L，生产效率为2.24 g/L/h；大肠杆菌经模块化途径工程与两相发酵使橙花叔醇产量达16 g/L；此外，解脂耶氏酵母中β-胡萝卜素产量达39.5 g/L，酿酒酵母中β-石竹烯和(+)-圆柚酮分别达到21.4 g/L和2.39 g/L。这些成果表明，合成生物学工具组合可显著提升萜类化合物的产量与生产经济性，为香料香精产业实现可持续工业化生产提供了可行路径。
创新点
系统总结了多种提升萜类生物合成效率的策略，包括模块化途径工程实现碳流平衡、CRISPR/Cas9精确编辑基因组、酶工程与定向进化提高酶活性、蛋白支架空间组织级联反应、细胞器区室化富集中间体、机器学习辅助酶筛选、适应性进化提高菌株耐受性以及微生物共培养分散代谢负担等；并列举了多个高产菌株构建案例。
研究对象（34）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | MVA pathway | GmNES | 香叶醛合酶（neral synthase） | 催化 | 催化GPP转化为香叶醛（neral），与截短香叶基二磷酸合酶共表达实现香叶醛合成 |
| Escherichia coli | MVA pathway | nudJ | NudJ水解酶 | 催化 | 内源性磷酸酶，替代GmNES提升香叶醛产量至261.88 mg/L |
| Escherichia coli | MVA pathway | GPPS | 牻牛儿基二磷酸合酶（来自Abies grandis） | 催化 | 催化IPP和DMAPP生成GPP，与GES共表达合成香叶醇 |
| Escherichia coli | MVA pathway | GES | 香叶醇合酶（来自Ocimum basilicum） | 催化 | 催化GPP生成香叶醇，乙酰酯酶过表达可将香叶醇乙酸酯转化回香叶醇，产量达2.0 g/L |
| Escherichia coli | MVA pathway | RhNUDX1 | 来自玫瑰的RhNUDX1酶 | 催化 | 新型香叶醇合成酶，摇瓶产量0.91 g/L |
| Escherichia coli | MVA pathway | LS | 柠檬烯合酶（来自Mentha spicata或Mentha haplocalyx） | 催化 | 催化GPP生成柠檬烯，在3.1-L发酵罐中产量3.6 g/L |
| Escherichia coli | MVA pathway | PS | α-蒎烯合酶（PS，Pt30） | 催化 | 催化GPP环化生成α-蒎烯，最高产量1.26 g/L（细胞-free系统） |
| Escherichia coli | MVA pathway | FaLNS | 橙花叔醇合酶（来自草莓） | 催化 | 催化FPP生成橙花叔醇，结合双相补料分批发酵在5-L反应器达16 g/L |
| Escherichia coli | MVA pathway | PgpB | 磷酸酶PgpB | 催化 | 水解FPP生成法尼醇，与ispA共表达后产量526.1 mg/L |
| Escherichia coli | MVA pathway | MaLIS | 芳樟醇合酶（来自Mentha aquatica） | 催化 | 催化GPP生成芳樟醇，经RBS优化和位点突变，产量达4160 mg/L |
| Escherichia coli | MVA pathway | CYP109B1 | 细胞色素P450酶CYP109B1（来自Bacillus subtilis） | 催化 | 与putidaredoxin及还原酶Pdr共表达，将瓦伦烯氧化为圆柚酮，产量120 mg/L |
| Escherichia coli | IUP (isoprenol utilization pathway) | GLS | 香叶基芳樟醇合酶（来自Nicotiana attenuata） | 催化 | 催化异戊烯醇转化为香叶基芳樟醇，5-L发酵罐中产量2.06 g/L |
| Escherichia coli | MVA pathway | SsLPS | 香紫苏醇二磷酸合酶（来自Salvia sclarea） | 催化 | 与SsScS共表达合成香紫苏醇，双相补料分批发酵产量1.5 g/L |
| Escherichia coli | MEP pathway | AbCAS | 顺式冷杉醇合酶（来自Abies balsamea） | 催化 | 催化GGPP生成顺式冷杉醇，结合IUP工程产量1375.7 mg/L |
| Escherichia coli | MEP pathway | CBTS | 西柏三烯醇合酶（来自Nicotiana tabacum） | 催化 | 催化GGPP生成西柏三烯-醇（CBT-ol），膜工程优化后产量2.87 g/L |
| Escherichia coli | MVA pathway | ScERG9 | 角鲨烯合酶（SQS） | 催化 | 增强角鲨烯供应，用于龙涎香（ambrein）合成 |
| Escherichia coli | MVA pathway | SHC D377C | 角鲨烯-藿烯环化酶突变体 | 催化 | 与BmeTC和SQS共表达，龙涎香产量2.6 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA pathway | t67OMcLIS | 芳樟醇合酶突变体 | 催化 | 通过定向进化获得高活性突变体，结合ERG20突变，摇瓶芳樟醇产量80.9 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA pathway | ERG20 | 法尼基二磷酸合酶（FPP合酶） | 催化 | ERG20F96W-N127W突变体将碳流导向单萜合成，用于多种单萜生产 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA pathway | tHMG1 | 截短HMG-CoA还原酶 | 催化 | 增强MVA途径通量，提高前体IPP/DMAPP供应 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA pathway | TPS | α-松油醇合酶（来自Vitis vinifera） | 催化 | 与ERG20F96W-N127W融合表达，α-松油醇产量达3.32 mg/L，5-L发酵罐中21.88 mg/L |
| Candida glycerinogenes | MVA pathway | GES | 香叶醇合酶 | 催化 | 通过UPC2介导的麦角固醇反馈调控和木糖同化途径改造，香叶醇产量1091.6 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA pathway | SaSS | α-檀香烯合酶（来自Santalum album） | 催化 | 结合ERG9启动子替换和GAL4过表达，α-檀香烯产量达1.3 g/L |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA pathway | HAC1 | 转录因子HAC1 | 调控 | 过表达HAC1增强未折叠蛋白反应，橙花叔醇摇瓶产量497.0 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA pathway | AaTPS88 | β-石竹烯合酶（来自Artemisia argyi） | 催化 | 与ERG20共表达，5-L补料分批发酵β-石竹烯产量15.6 g/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇合成途径 | ERG9 | 角鲨烯合酶 | 调控 | 通过替换HXT1启动子动态下调ERG9，减少FPP流向麦角固醇，提高倍半萜产量 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA pathway | PaGGPPs | 牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶（来自Picea abies） | 催化 | 与ERG20、DPP1等共表达，结合NADH依赖型HMG-CoA还原酶，香叶基香叶醇产量6.33 g/L |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA pathway | HPO | P450加氧酶（HPO）突变体 | 催化 | 通过半理性工程提高催化效率2.54倍，结合ERG9敲除和MVA途径过表达，(+)-圆柚酮产量2.39 g/L |
| Yarrowia lipolytica | MVA pathway | tSsLpps | 截短香紫苏醇合酶 | 催化 | 通过脚手架酶复合物策略，香紫苏醇产量12.9 g/L |
| Pichia pastoris | MVA pathway | BmeTC | 四异戊烯基-β-姜黄烯环化酶 | 催化 | 突变体BmeTC D373C，结合ERG1下调，5-L发酵罐中龙涎香产量>100 mg/L |
| Yarrowia lipolytica | MVA pathway | crtYB/crtI | 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 | 通过蛋白工程解除番茄红素底物抑制，β-胡萝卜素产量39.5 g/L |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA pathway | CYP97A3 | 胡萝卜素羟化酶（来自Arabidopsis thaliana） | 催化 | 将α-胡萝卜素羟化为叶黄素，结合顺序表达策略，叶黄素产量595.3 μg/L |
| Escherichia coli | MVA pathway | LCYe/CCD1 | 番茄红素ε-环化酶/类胡萝卜素裂解双加氧酶 | 催化 | 模块4酶组合替换实现α-紫罗酮480 mg/L、β-紫罗酮500 mg/L、视黄醇33 mg/L |
| Yarrowia lipolytica | MVA pathway | ERG20 | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 模块化工程中增强前体供应，β-紫罗酮产量0.98 g/L |
关键发现
- 在酿酒酵母中通过代谢工程优化中心碳代谢，β-法尼烯在20万升工业发酵罐中产量达130 g/L，生产效率2.24 g/L/h
- 在E. coli中经模块化途径工程与两相发酵，橙花叔醇产量达16 g/L（5-L生物反应器）
- 通过启动子工程和蛋白融合，(+)-圆柚酮在酿酒酵母中产量达2.39 g/L
- 通过系统调控甾醇合成途径，β-石竹烯在酿酒酵母中产量达21.4 g/L
- 通过解除底物抑制并调节代谢通量，β-胡萝卜素在解脂耶氏酵母中产量达39.5 g/L
- 通过异源表达和蛋白工程，香叶醇在E. coli中产量达2124.1 mg/L（摇瓶）
- 通过MVA途径优化和发酵工程，柠檬烯在E. coli中产量达3.6 g/L（3.1-L补料分批）
- 通过引入IUP和双磷酸酶敲除，西柏烯-醇在E. coli中产量达2.87 g/L
- 通过筛选高活性Lpps和脚手架复合物，香紫苏醇在解脂耶氏酵母中产量达12.9 g/L。
研究结论
微生物细胞工厂结合合成生物学策略能够实现多种萜类风味化合物及其前体的高效、绿色生产，显著提高产量并降低生产成本，有望在香料和香精产业中替代传统提取与化学合成路线，推动可持续工业应用。