近日，Bioresource Technology在线发表了江南大学未来食品科学中心和生物工程学院陈坚院士团队周景文教授课题组的研究成果“Efficient synthesis of squalene by cytoplasmic-peroxisomal engineering and regulating lipid metabolism in Yarrowia lipolytica” (Ning et al., Bioresource Technology. 2024, 395, 130379)。江南大学2021级硕士生宁扬为论文第一作者，周景文教授为论文通讯作者。
角鲨烯(Squalene)是一种高价值无环三萜化合物，常被用作抗氧化剂、抗肿瘤剂、疫苗佐剂等，广泛应用于食品、化妆品、医疗行业。角鲨烯可从鲨鱼肝油、橄榄、苋菜籽等动植物中分离获得，但由于动物保护法规以及植物中提取纯化的繁琐工艺，这类生产方式有很大的局限性。近年来，随着对基因编辑工具和代谢模型的不断挖掘，人们尝试在微生物中构建细胞工厂以持续、高效、安全的合成角鲨烯。然而，目前的研究中甲羟戊酸(MVA)途径碳通量不足、胞质中疏水性大分子储存空间有限、脂质合成和角鲨烯合成的竞争等因素限制角鲨烯在微生物中的高效合成。解脂酵母(Yarrowia lipolytica)是一种Crabtree阴性酵母，具有底物谱广、脂质含量丰富、适应高密度发酵等特点。解脂酵母的过氧化物酶体是利于角鲨烯储存的疏水性细胞区室，其中存在的β-氧化途径是产生乙酰辅酶A的重要代谢过程，因此，过氧化物酶体有潜力被开发为角鲨烯的“生产车间”。
江南大学食品合成生物学与生物制造团队研究人员通过细胞区室化策略和脂质代谢工程在解脂酵母中高效生产角鲨烯(图1)。首先，以解脂亚洛酵母为出发菌株，筛选MVA途径限速酶，并对关键基因进行两轮多拷贝整合(图2)。接下来，筛选具有高靶向效率的过氧化物酶体信号肽，将角鲨烯合成途径引入过氧化物酶体，角鲨烯产量提高到1938.8 mg/L(图3)。然后，通过过表达POT1、POX1和ACL1，强化过氧化物酶体中β-氧化途径(图4)和胞质中乙酰辅酶A的供给(图5)，角鲨烯产量进一步提高到2549.1 mg/L。最后，在5-L生物反应器中进行补料分批发酵，角鲨烯的产量达到51.2 g/L，葡萄糖收率60.5 mg/g，产率0.33 g/L/h。(图6)。这是目前报道的微生物合成角鲨烯的最高产量，这项工作也为微生物合成角鲨烯及其衍生物提供了重要的参考。
上述研究工作得到了国家重点研发计划项目(2019YFA0905300)和无锡市“太湖之光”科技攻关计划(K20231032)的资助。
图1 高效合成角鲨烯的解脂酵母菌株构建
图2 MVA途径关键基因筛选和多拷贝整合
图3 过氧化物酶体信号肽筛选
图4 强化过氧化物酶体中β-氧化途径
图5 强化乙酰辅酶A、NADPH和ATP供给
图6 5-L生物反应器分批补料发酵生产角鲨烯
