华南理工大学李爽教授课题组Green Chemistry：实现非发酵碳源高值香料瓦伦西亚烯细胞工厂构建

　　近日，华南理工大学生物科学与工程学院李爽教授课题组在Green Chemistry杂志（IF=10.18）上发表了一篇题为“Efficient utilization of carbon to produce aromatic valencene in Saccharomyces cerevisiae using mannitol as substrate”的研究论文。该论文首次报道了以酿酒酵母为底盘细胞，非发酵碳源甘露醇为唯一碳源，构建了高附加值倍半萜类香料——瓦伦西亚烯的高效细胞工厂，证明了海藻源碳源在酿酒酵母高产萜类化合物的潜力。博士研究生朱晁谊为该文第一作者。（论文链接https://doi.org/10.1039/D2GC00867J）

 

　　萜类化合物是一类基于异戊二烯单元（C5H8）的天然化合物，种类繁多且具有多种生物活性，被广泛应用于医药、化工、食品、化妆品等领域。传统上萜烯生产依赖于化学合成或植物提取，存在高耗能、高污染、低产率、资源浪费等劣势。近年借助于合成生物学手段，微生物细胞工厂已实现多种化学品的发酵生产。酿酒酵母是目前研究最为广泛微生物底盘细胞之一，但作为Crabtree阳性菌株，其溢流代谢导致副产物乙醇代谢通量过高而生物质得率较低。非发酵碳源可有效维持细胞线粒体的完整性，从而最大程度限制乙醇的刚性通量，保障了萜烯生物合成所需的高能耗和辅因子平衡。甘露醇，作为一种未被充分认识开发的非发酵碳源，是广泛存在于褐藻的主要储备碳源。依靠大型海藻海水养殖的优势，甘露醇具备新一代绿色生物制造中替代粮食基碳源的潜力，吸引了研究者的关注。

 

　　该研究从理论代谢网络基元计算出发，模拟出甘露醇高效生产瓦伦西亚烯的代谢灵活性。经过1500多小时的适应性实验室进化（Adaptive laboratory evolution，ALE），突破了天然酿酒酵母对甘露醇的利用瓶颈，获得了具有优越甘露醇代谢能力的酿酒酵母菌株BN-91A。相比葡萄糖碳源，以甘露醇为唯一发酵碳源，瓦伦西亚烯的产量和C/C转化率分别提高3和5。基因组和转录水平分析揭示，甘露醇代谢为瓦伦西亚烯合成相关基因的转录和翻译提供了更有利保障。通过合成生物学代谢调控手段，进一步优化前提供应、底物摄取速率及辅因子再生等，在3 L发酵罐实现瓦伦西亚烯产量5.6 g/L。

 

　　瓦伦西亚烯（Valencene）是一种具有柑橘香气的高值倍半萜类化合物，被广泛应用于食品、化妆品行业，年市场需求量超过10,000 kg。相比目前以西柚皮为原料提取的低得率（0.2-0.6%），该研究获得的酿酒酵母细胞工厂产量达到g/L范围，将具有绝对的价格优势，且不受农业耕地、季节等条件限制。该研究也为萜类化合物的高效微生物生产开辟了一条新的道路。

 

　　该工作得到国家自然科学基金（21878104，22178131）和国家重点研发计划项目（2018YFA0901504）的资助。