《合成生物学》推荐 文献分享：过氧化物酶体代谢偶联合成脂肪醇
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- 发布时间：2023-04-17 13:36
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【概要描述】一碳化合物的高效利用与生物转化是当前生物制造领域的研究热点。其中，甲醇可以由CO2大量制备而来，因此它被认为是一种具有潜力的环保生物制造原料。由于甲醇及甲醛（甲醇的氧化中间体）的细胞毒性问题，构建可以将甲醇进行生物转化高效合成目标产物的微生物细胞工厂充满挑战。近日，中国科学院大连化物所周雍进研究员团队在多形汉逊酵母（Ogataeapolymorpha）中利用过氧化物酶体区室化策略，将甲醇代谢和脂肪
《合成生物学》推荐 文献分享：过氧化物酶体代谢偶联合成脂肪醇
【概要描述】一碳化合物的高效利用与生物转化是当前生物制造领域的研究热点。其中，甲醇可以由CO2大量制备而来，因此它被认为是一种具有潜力的环保生物制造原料。由于甲醇及甲醛（甲醇的氧化中间体）的细胞毒性问题，构建可以将甲醇进行生物转化高效合成目标产物的微生物细胞工厂充满挑战。近日，中国科学院大连化物所周雍进研究员团队在多形汉逊酵母（Ogataeapolymorpha）中利用过氧化物酶体区室化策略，将甲醇代谢和脂肪
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摘 要
一碳化合物的高效利用与生物转化是当前生物制造领域的研究热点。其中，甲醇可以由CO2大量制备而来，因此它被认为是一种具有潜力的环保生物制造原料。由于甲醇及甲醛（甲醇的氧化中间体）的细胞毒性问题，构建可以将甲醇进行生物转化高效合成目标产物的微生物细胞工厂充满挑战。近日，中国科学院大连化物所周雍进研究员团队在多形汉逊酵母（Ogataeapolymorpha）中利用过氧化物酶体区室化策略，将甲醇代谢和脂肪醇合成途径进行偶联，实现了甲醇到脂肪醇的高效生物转化。该文章为改善甲醇的生物转化的研究提供了一种可行的工程策略。
研究内容
脂肪醇是一种被广泛应用于洗护领域的洗涤剂、洗涤剂、润肤剂，全球脂肪醇的市场逐年扩增，预计2025年将达到70亿美元。目前已经有多种微生物被用于构建实现从一碳化合物到脂肪醇生物转化的微生物细胞工厂（Table1）。
1. 脂肪醇合成途径的构建
脂肪醇的合成主要可以由三条途径经脂酰辅酶A或游离脂肪酸还原而来（Fig.1A）。作者首先在汉逊酵母中对比了这三条途径合成脂肪醇的效率。TaFAR1 途径表现出高于其他途径25倍的脂肪醇合成量（Fig.1B），因此后续本文就采用该合成途径进行后续研究
除了TaFAR1，该途径需要醇脱氢酶/醛还原酶（ADH/ALR）的参与，将脂肪醛转化为脂肪醇。为了提高脂肪醛到脂肪醇的转化效率，作者过表达了酿酒酵母来源的ScADH5，使汉逊酵母的脂肪醇产量提高了34%±10%，这也表明脂肪醛的还原是脂肪醇合成途径中的瓶颈反应。对汉逊酵母内源ADH 进行过表达/敲除测试后，作者发现ADH6 和ADH7 基因的敲除可以显著提高脂肪醇的产量，其中，ADH6-3 使脂肪醇产量达到最高，说明这些内源的醇脱氢酶阻碍了脂肪醇的合成。ScADH5 的过表达及ADH6-3 的敲除的组合（ZX-F15）使脂肪醇的滴度达到(158±8) mg/L，较ZX-F18[(106±9) mg/L]提高了49%±7%（Fig.1C）。从遗传的稳定性角度考虑，作者将TaFAR1 及ScADH5 整合至汉逊酵母基因组上（ZX-F33），与葡萄糖培养基相比，该菌株在甲醇培养基中表现出更低的脂肪醇产量及生物量。这一现象说明，当以甲醇作为碳源用于脂肪醇合成时，胞质的脂肪醇合成途径并不合适（Fig.1D）。因此，在构建甲醇生物转化细胞工厂时，协调好甲醇代谢与产物合成是非关键的。
1. 过氧化物酶体区室化的甲醇到脂肪醇合成途径的构建
汉逊酵母是一种甲基营养型酵母，过氧化物酶体是其甲醇同化与脂肪酸β-氧化的主要场所。过氧化物酶体区室化构建从甲醇到脂肪醇的合成途径可以有效避免对自身胞质脂肪酸稳态的干扰，也可以将甲醇代谢与脂肪醇合成进行偶联。无论是组成型启动子（pGAP)还是甲醇诱导型启动子（pTAL1-2），过氧化物酶体的脂肪醇合成途径具有高于胞质途径3.9倍的脂肪醇产量（Fig.2B）。与胞质合成途径的结果一致，在整合TaFAR1的菌株上（ZX-F41）过氧化物酶体过表达ScADH5 得到ZX-F39，其脂肪醇产量也提高了16%±7%。但是，基因组整合2拷贝TaFAR1 及ScADH5 时，ZX-F40的脂肪醇产量与OD值菌显著下降（Fig.2C），这表明增强脂肪醇合成途径可能会扰乱甲醇代谢及脂酰辅酶A的稳态，影响细胞正常生长。
为了进一步增加前体脂酰辅酶A的供给，在ZX-F39菌株上依次敲除HFD1(编码脂肪醛脱氢酶)、ARE（编码乙酰辅酶A：胆
固醇酰基转移酶）、LPL1 和IZH3（与磷脂稳态有关），过表达PXA1,2（编码过氧化物酶脂酰辅酶A转运蛋白），使脂肪醇产量逐步提高。ZX-F51PXA的脂肪醇产量达到(131±1) mg/L（Fig.2D）。为了测试菌株的稳定性，将ZX-F51及ZX-F51PXA于20 g/L的甲醇培养基中进行发酵，与在10 g/L的甲醇培养基中的产量相比，其产量分别提高了64%±11%和79%±15%（Fig.2E）。
