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棕榈油酸是一种具有抗糖尿病、抗炎等多重健康效应的功能性 omega-7 脂肪酸。然而，这种脂肪酸在传统油料作物中含量极低，主要依赖野生植物如沙棘、澳洲坚果等进行提取，受限于地理和气候条件，难以支撑工业化应用。已有研究发现，酿酒酵母脂质中棕榈油酸的比例可高达 50%，但其天然脂质含量往往不足 10%，形成“高纯度低产量”的瓶颈。

为了提升脂质积累能力，中国科学院青岛生物能源与过程研究所团队开发出一套高通量筛选策略，并成功构建脂质含量达 40.26% 的突变株，为功能性脂肪酸的微生物制造提供了新方向。该成果以“Label-free isolation of lipid-rich Saccharomyces cerevisiae mutant by high-throughput flow-mode Raman-activated cell sorting and multi-omics analysis for uncovering the mechanism of enhanced lipid accumulation”为题发表在上 Biotechnology for Biofuels and Bioproducts。

研究团队以脂质含量约 30% 的野生型酿酒酵母 SC018 为出发菌株，采用 zeocin 诱导 DNA 损伤，并结合常压室温等离子体技术（ARTP）实施复合诱变，构建 14 个突变文库。随后通过自主研发的流式拉曼激活细胞分选（FlowRACS）系统，对突变库进行两轮高通量筛选。该系统基于 2844 cm⁻¹ 的拉曼特征峰强度对细胞内脂质进行定量，无需标记或染色，避免细胞损伤，在精度和活性维持方面均优于传统荧光法。经过两轮筛选后，高脂细胞比例从 0 上升至 30.6%，实现了显著富集。

图 | FlowRACS 技术实现两轮筛选后，高脂酵母细胞占比大幅上升

在筛选得到的突变菌株中，MU2R48 表现最为优异，其脂质含量提升至 40.26%，较原始菌株提高了 30.85%。与此同时，其生物量维持在 11.94 g/L，与出发菌株（12.02 g/L）基本持平，表明突变并未带来生长抑制。此外，该菌株的总脂肪酸产量达到 1.75 g/L，相较原始菌株提升约 9.4%，其中棕榈油酸仍保持高比例，表明其在脂质总量提升的同时维持了脂肪酸组成的稳定性。这是首次在不依赖外源基因工程的条件下，实现高脂产量与高 POA 纯度的同步提升。

为进一步阐明 MU2R48 脂质积累的分子基础，研究团队对其开展了系统性多组学分析。在碳流通量方面，突变株表现出糖酵解能力的显著增强，PDC1、PDC5 和 PDC6 三个丙酮酸脱羧酶基因表达量上调 1.5 至 2.5 倍，为乙酰辅酶 A 的合成提供了更丰富的底物。ACS2 作为乙酰辅酶 A 合成的关键酶，其表达量提升 2.55 倍，进一步增强了脂质前体的生成效率。脂肪酸链合成相关的 ACC1 和 FAS2 也分别上调 1.87 倍和 2.28 倍，支持了突变株脂质总量上升的现象。

脂质合成过程中还需要 NADPH 作为还原力来源，GND1 基因编码的 6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶在突变株中的表达量提高 1.89 倍，增强了 NADPH 的供应能力，从而为脂质合成过程提供充足能量。同时，脂质降解通路中的关键基因 POT1 下调 70%，POX1 下调 40%，有效抑制了 β-氧化过程，减少了脂肪酸的消耗，有利于脂质积累的净增长。

此外，BAT1 基因表达上调达 7.67 倍，该基因在支链氨基酸代谢中发挥作用。尽管其与脂质合成的直接关联尚待进一步研究，但相关代谢产物可能通过影响中央碳代谢与脂肪酸生物合成间的耦合，间接促进脂质合成。此外，脂降解调控因子 ADR1 和 CAT8 表达下调，进一步抑制脂肪酸分解。

图 | MU2R48 菌株氨基酸代谢和 PPP 通路基因转录水平

综合多组学结果表明，突变株 MU2R48 在脂质合成增强、脂质消耗减少和能量代谢重构等多个维度实现协同优化，是代谢网络系统性重编程的成果。该成果不仅提升了脂质产能，还避免了传统突变手段中常见的代谢负担和毒性积累问题，展现了诱变与筛选策略的良好可控性。

本研究充分展示了 FlowRACS 系统在工业微生物育种中的应用潜力。与传统荧光标记法相比，该系统具备无标记、非侵入、高通量的优势，特别适用于不易转染的工业菌株筛选。更重要的是，该方法在不引入外源基因的前提下获得高脂突变株，符合生物安全规范和产业转化的政策要求。以此为核心的“诱变-筛选-解析”三位一体策略，为构建高性能生产菌株提供了通用路径。

目前，青岛能源所团队正推进 MU2R48 的发酵工艺放大及代谢通量进一步优化，旨在构建稳定、安全、可扩展的 omega-7 微生物制造平台。该研究不仅为功能脂肪酸生产提供了有力技术支撑，也为非转基因高脂酵母的定向进化与产业应用探索出一条可复制的合成生物学路径。

参考链接：

1.i, X., Wang, X., Zhou, W. et al. Label-free isolation of lipid-rich Saccharomyces cerevisiae mutant by high-throughput flow-mode Raman-activated cell sorting and multi-omics analysis for uncovering the mechanism of enhanced lipid accumulation. Biotechnol. Biofuels Bioprod. 18, 75 (2025). https://doi.org/10.1186/s13068-025-02677-8

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