代谢工程与代谢组学联用构建毕赤酵母萜类合成细胞工厂及其系统解析

　　本研究针对萜类化合物高效生物合成难题，通过代谢工程与代谢组学技术对毕赤酵母细胞工厂进行系统性重构。研究团队成功构建了高效合成萜类化合物的工程菌株，实现了产量显著提升（具体数据见原文），为天然产物的绿色制造提供了创新性技术平台，对医药、香料等产业发展具有重要推动意义。

　　

萜类化合物作为自然界中种类最丰富的天然产物家族，在医药、香料、燃料和材料等领域具有不可替代的应用价值。然而传统植物提取法受限于低含量和季节依赖性，化学合成又面临步骤繁琐和环境污染等挑战，使得生物法合成成为当前研究的焦点。尽管微生物细胞工厂为萜类生产提供了新途径，但毕赤酵母（Pichia pastoris）作为重要表达系统，其萜类合成能力仍受限于前体供应不足和代谢网络调控机制不明确等瓶颈问题。

针对这一挑战，研究团队在《Technical Innovations》发表了创新性研究成果。通过多学科交叉策略，将代谢工程与代谢组学技术相结合，系统性重构毕赤酵母的代谢网络。首先通过关键酶基因的异源表达和内源途径强化，优化了萜类合成前体乙酰辅酶A和异戊烯基焦磷酸（IPP）的供应；随后利用代谢组学分析技术动态监测代谢物变化，识别出影响萜类合成的关键节点和限制因素；最终通过精确调控代谢流，成功构建了高效稳定的萜类合成细胞工厂。

关键技术方法包括：采用CRISPR-Cas9基因编辑技术对宿主菌株进行多基因位点同步修饰；应用GC-MS和LC-MS联用技术进行代谢组学分析；通过¹³C标记代谢通量分析确定关键代谢节点；利用生物反应器进行高密度发酵优化。研究样本涉及工程菌株构建与多代遗传稳定性测试。

研究结果

1. 1.

   代谢途径设计与构建

   通过引入外源甲羟戊酸（MVA）途径关键基因（包括tHMG1、IDI1等），并强化内源乙酰辅酶A合成途径，使前体物质供应量提升3.2倍。

2. 2.

   代谢组学分析

   采用非靶向代谢组学技术发现，工程菌株中三羧酸循环中间产物显著积累，提示需要进一步优化中心碳代谢。

3. 3.

   动态调控策略

   基于代谢组学数据实施动态调控，通过启动子工程精确控制关键酶表达时序，避免中间产物积累对细胞生长的抑制。

4. 4.

   细胞工厂性能验证

   最终构建的工程菌株萜类产量达到2.8 g/L，较原始菌株提高45倍，且连续传代10代后仍保持稳定的生产性能。

5. 5.

   合成生物学方法拓展

   建立的方法体系可推广至其他萜类化合物的合成，成功验证了紫穗槐二烯和角鲨烯的合成可行性。

研究结论表明，通过代谢工程与代谢组学的协同整合，能够系统解决毕赤酵母萜类合成中的代谢网络失衡问题。该研究不仅提供了高效的萜类生物合成平台，更重要的是建立了适用于非模式酵母的代谢重构通用策略。讨论部分强调，这种多组学指导的代谢工程方法为复杂天然产物的微生物合成提供了新范式，特别是在解决代谢流分配和毒性中间产物积累方面展现出独特优势。该技术的成功应用将加速萜类化合物的工业化生产进程，对促进绿色生物制造产业发展具有重要战略意义。