中科院之聲 - 科學家實現甲醇生物轉化高效合成脂肪酸衍生物－鑽石舞台

近日，中國科學院大連化學物理研究所合成微生物學研究組研究員周雍進團隊在甲醇生物轉化研究方面取得新進展。科研團隊以甲醇酵母為細胞催化劑，通過結合適應性進化和理性代謝工程改造，實現了甲醇生物轉化高效合成脂肪酸衍生物。

隨着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製需求。甲醇是理想的可再生原料，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、食品和材料等生產的基礎原料，應用於日常生產生活。傳統動、植物油脂產量有限，難以滿足日益增長的需求，亟待發展油脂生產新技術。甲醇生物轉化可建立不依賴耕地的脂肪酸供給路線，而微生物細胞中甲醇代謝複雜，難以實現高效定向轉化。

本研究中，科研團隊在改造以多形漢遜酵母為宿主的內源代謝合成脂肪酸過程中發現，工程菌株在甲醇中無法生長。研究還發現，通過實驗室適應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脂肪酸；多組學技術鑑定發現，雙敲除兩個關鍵突變基因LPL1（推測脂酶）和IZH3（與Zn代謝相關膜蛋白），可以顯著緩解甲醇代謝壓力；脂質組學分析發現，產脂肪酸菌株磷脂的合成受阻，影響過氧化物酶體膜完整性，導致關鍵有毒中間體甲醛泄漏，引起細胞壞死。基於上述成果，研究人員在轉錄組學指導下，重排了細胞內全局代謝，強化了前體乙酰輔酶A和輔因子NADPH的供給，使漢遜酵母以甲醇為唯一碳源合成了脂肪酸，產量為15.9 g/L。

此外，研究在畢赤酵母中發現，在甲醇代謝過程中，甲醛的積累同樣影響甲醇生物轉化效率；研究通過優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，提高了脂肪酸產量（23.4 g/L）。研究團隊採用代謝切換的策略，快速將脂肪酸生產菌株改造為脂肪醇細胞工廠，簡化了菌株構建過程，實現脂肪醇產量達2.0 g/L。

上述研究揭示了酵母中甲醇代謝調控規律以及代謝壓力分子機制，為甲醇生物轉化以及CO2高值化轉化應用提供了新思路。

近日，相關研究成果分別以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，發表在《自然-代謝》（Nature Metabolism）和《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。韓國慶熙大學教授Eun-Yeol Lee在《自然-代謝》上發表亮點評述文章（Methanol-tolerant yeast for biofuel production）提出，該研究強化了甲醇耐受性，實現了甲醇高效轉化合成脂肪酸，將為未來油脂化學品和生物燃料供應提供潛在供應路線。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金優秀青年科學基金項目/面上項目、大連化物所科研創新基金等的支持。