近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所合成微生物學(xué)研究組研究員周雍進團隊在甲醇生物轉(zhuǎn)化研究方向取得新進展。研究團隊以甲醇酵母為細胞催化劑，通過結(jié)合適應(yīng)性進化和理性代謝工程改造，實現(xiàn)了甲醇生物轉(zhuǎn)化高效合成脂肪酸衍生物。
隨著石油等資源的日益枯竭，越來越需要新的原料來滿足人們不斷增長的生物煉制需求。甲醇是理想的可再生原料，其能量密度較高、來源廣泛。脂肪酸衍生物是一類含氧量低、能量密度高、富含碳氫元素的天然可再生資源，是液體生物燃料、油脂化工品、食品和材料等生產(chǎn)的基礎(chǔ)原料，廣泛應(yīng)用于日常生產(chǎn)、生活等各個方面。傳統(tǒng)動、植物油脂產(chǎn)量有限，難以滿足日益增長的需求，亟待發(fā)展油脂生產(chǎn)新技術(shù)。甲醇生物轉(zhuǎn)化可建立不依賴于耕地的脂肪酸供給路線，然而，微生物細胞中甲醇代謝復(fù)雜，難以實現(xiàn)其高效定向轉(zhuǎn)化。
大連化物所實現(xiàn)甲醇生物轉(zhuǎn)化高效合成脂肪酸衍生物
本工作中，研究團隊在改造以多形漢遜酵母為宿主的內(nèi)源代謝合成脂肪酸過程中，發(fā)現(xiàn)工程菌株在甲醇中無法生長。研究團隊還發(fā)現(xiàn)，通過實驗室適應(yīng)性進化獲得的馴化菌株，能夠在甲醇中正常生長且可高效生產(chǎn)脂肪酸；通過多組學(xué)技術(shù)鑒定發(fā)現(xiàn)，雙敲除兩個關(guān)鍵突變基因LPL1（推測脂酶）和IZH3（與Zn代謝相關(guān)膜蛋白），可以顯著緩解甲醇代謝壓力；通過脂質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)脂肪酸菌株磷脂的合成受阻，影響過氧化物酶體膜完整性，導(dǎo)致關(guān)鍵有毒中間體甲醛泄漏，引起細胞壞死?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn)，研究團隊在轉(zhuǎn)錄組學(xué)指導(dǎo)下，重排了細胞內(nèi)全局代謝，強化了前體乙酰輔酶A和輔因子NADPH的供給，使?jié)h遜酵母以甲醇為唯一碳源合成了脂肪酸，產(chǎn)量為15.9 g/L。
此外，研究團隊在畢赤酵母中也發(fā)現(xiàn)，在甲醇代謝過程中，甲醛的積累同樣影響甲醇生物轉(zhuǎn)化效率；研究團隊通過優(yōu)化細胞中心代謝與輔因子再生過程、強化甲醇代謝路徑，大幅減少了甲醛積累，提高了脂肪酸產(chǎn)量（23.4 g/L）。研究團隊還采用代謝切換的策略，快速將脂肪酸生產(chǎn)菌株改造為脂肪醇細胞工廠，簡化了菌株構(gòu)建過程，實現(xiàn)脂肪醇產(chǎn)量達2.0 g/L。
上述工作揭示了酵母中甲醇代謝調(diào)控規(guī)律以及代謝壓力分子機制，為甲醇生物轉(zhuǎn)化以及CO2高值化轉(zhuǎn)化應(yīng)用提供了新思路。
相關(guān)研究成果以“Rescuing yeast from cell death enables overproduction of fatty acids from sole methanol”和“Methanol biotransformation toward high-level production of fatty acid derivatives by engineering the industrial yeast Pichia pastoris”為題，于近日分別發(fā)表在《自然-代謝》（Nature Metabolism）和《美國科學(xué)院院報》（PNAS）上。韓國慶熙大學(xué)生物化工學(xué)者Eun-Yeol Lee教授在《自然-代謝》發(fā)表亮點評述文章“Methanol-tolerant yeast for biofuel production”，強調(diào)本研究強化了甲醇耐受性，實現(xiàn)了甲醇高效轉(zhuǎn)化合成脂肪酸，將為未來油脂化學(xué)品和生物燃料供應(yīng)提供潛在供應(yīng)路線。該工作第一作者分別是大連化物所助理研究員高教琪和博士研究生蔡鵬。上述工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金、面上項目、大連化物所科研創(chuàng)新基金等項目的資助。
文章鏈接：
Nature metabolism https://www.nature.com/articles/s42255-022-00601-0
PNAS https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2201711119
Nature metabolism https://www.nature.com/articles/s42255-022-00603-y
