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在自然界中，存在着一类对人类健康十分有益的天然化合物——异戊烯基芳香化合物，它们广泛分布于植物、昆虫乃至微生物中。巴西绿蜂胶里的 Drupanin 和阿替匹林 C 具有抗癌能力；8-异戊烯基柚皮素是一种雌激素，能够缓解潮热和睡眠障碍等症状。但它们在自然界中的含量低。

解脂耶氏酵母已被广泛用于合成生物碱、黄酮类和萜类等天然产物，如白藜芦醇、β-胡萝卜素等，但在异戊烯基化芳香化合物的合成上，鲜有报道。 

近日，山东大学侯进、祁庆生等在异戊烯基芳香化合物的合成领域取得突破。该团队在 ACS Sustainable Chemistry & Engineering 上发表了一篇题为“Metabolic Engineering and Strain Mating of Yarrowia lipolytica for Sustainable Production of Prenylated Aromatic Compounds”的研究论文。在这项研究中，研究人员借助解脂耶氏酵母菌，通过代谢工程改造和菌株交配的方式，最终实现了异戊烯基芳香化合物的高效可持续生产。 

侯进具体研究方向为：重要天然产物、生物基化合物、生物燃料等的生物合成；合成生物学调控元器件的设计和构建；开发新的基因编辑和微生物进化的方法。祁庆生的主要研究方向为：开发合成生物学和基因组编辑的方法用于微生物检测、代谢调控和改造；利用代谢工程合成健康、美容等生物产品；废弃塑料的微生物降解及生物可降解塑料的合成。

图 | 利用解脂耶氏酵母和交配策略生产异戊烯基化芳香化合物

异戊烯基芳香化合物的合成需要两种关键的前体物质：一种是对香豆酸，另一种是二甲基烯丙基二磷酸（DMAPP）。于是，研究人员首先通过代谢工程对酵母菌进行改造，在两个单倍体菌株中分别独立优化这两种前体物质的供应。 

为了提高 DMAPP 的供应，研究人员对酵母的甲羟戊酸（MVA）途径展开优化，通过过表达合成途径中的关键基因，酵母菌合成 DMAPP 的能力得到显著增强。利用倍半萜烯 α-法呢烯作为 DMAPP 的下游产物，通过间接方式表征 DMAPP 的供应情况。

结果发现，过表达 AtoB、HMGS 和 HMGR 基因，α-法呢烯产量提高 2.6 倍；过表达 ERG12 和 IDI 基因，α-法呢烯的产量进一步提高 1.8 倍，达到 110.6 mg/L；进一步过表达 ERG8 和 ERG19 基因，α-法呢烯产量增加 2.4 倍，达到 133 mg/L。得到的菌株成功检测到 Drupanin 和阿替匹林 C 的合成。

为了进一步提高 DMAPP 的供应量，研究人员还对酵母菌的代谢途径进行了精细优化。比如，通过替换或截短酵母中角鲨烯合成酶基因（ERG9）的启动子，减少了 DMAPP 流向角鲨烯的代谢通量，使得 DMAPP 的供应显著增加，从而有效促进目标产物的合成。 

在优化对香豆酸的供应时，研究人员把来自约翰逊氏黄杆菌的 TAL 基因导入酵母，成功构建出对香豆酸的生物合成途径。通过增加 TAL 基因的拷贝数，让合成对香豆酸的“生产线”增多，同时解除酪氨酸生物合成过程中的反馈抑制，使细胞能更顺畅地合成对香豆酸，最终让对香豆酸的产量大幅提升。

获得优化后的两个单倍体菌株后，研究团队利用菌株交配的方式得到二倍体，并评估了二倍体菌株生产 Drupanin 和阿替匹林 C 的效率。在 3 L 反应器中，补料分批发酵使 Drupanin 的产量达到了 52.26 mg/L，阿替匹林 C 的产量达到了 7.45 mg/L。总产量达到了微生物细胞工厂从头合成的最高报告滴度。

图 | Drupanin 和阿替匹林 C 的产量

除此之外，研究团队还用同样的策略开展 8-异戊烯基柚皮素的合成研究。他们先构建柚皮素生产菌株，通过优化合成途径中的不同模块，比如调整参与反应的酶的表达量和活性，提高柚皮素的产量。然后筛选高效的异戊烯基转移酶，并优化它的表达，让其能更有效地催化反应。最终成功构建出能够合成 8-异戊烯基柚皮素的二倍体菌株。经过分批补料发酵，菌株 DP4 生产的 8-异戊烯基柚皮素产量达到 4.36 mg/L。 

总的来说，这项研究为异戊烯基化芳香化合物的生产提供了一种高效又环保的方法，也充分展现出酵母菌在合成天然产物方面的巨大潜力。未来，随着研究人员的继续探索及借助基因编辑、合成生物学和人工智能等技术，通过酵母菌“酿造”出更多对人类健康有益的天然产物，能够更广泛地应用于医疗、保健和食品领域。

参考文献：

1. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.4c08784

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