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为解决 β- 石竹烯（β-caryophyllene）传统生产方式的局限，研究人员开展在解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）中生产 β- 石竹烯的研究。通过调控关键酶表达和优化发酵条件，使 β- 石竹烯产量提升，该研究为微生物生产萜烯类化合物提供了新策略。
在生物制造的广阔天地里，萜烯类化合物作为大自然赋予的 “宝藏”，广泛应用于食品、医药、化妆品等多个领域。β- 石竹烯，作为一种重要的倍半萜烯，凭借其抗氧化、抗炎和抗癌等特性，在制药、营养保健和化妆品行业极具潜力。然而，传统的从植物中提取或化学合成 β- 石竹烯的方法，就像戴着镣铐跳舞，面临着诸多困境。从植物提取，产量低不说，还受到自然资源短缺的限制，成本更是居高不下；化学合成呢，不仅过程复杂，还容易造成环境污染。因此，寻找一种高效、可持续的生产 β- 石竹烯的方法迫在眉睫。
在此背景下，来自英国帝国理工学院（Imperial College London）、法国巴黎萨克雷大学（Université Paris-Saclay）等多个研究机构的科研人员，踏上了探索之旅，他们聚焦于解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica），致力于开发一条全新的 β- 石竹烯生物合成途径。最终，他们的研究成果发表在《Microbial Cell Factories》上，为该领域带来了新的曙光。
研究人员开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。首先是基因工程技术，将酿酒酵母（S. cerevisiae）的 tHMG1 基因和青蒿（Artemisia annua）的 QHS1 基因导入解脂耶氏酵母中，并通过 Cre-LoxP 系统实现多拷贝整合。其次，利用发酵技术，进行摇瓶发酵和批次发酵，在不同条件下培养菌株。最后，采用分析技术，借助 HPLC 测定底物浓度，运用 GC-MS 定量 β- 石竹烯含量 。
下面来详细看看研究结果。
- β- 石竹烯的生物合成：β- 石竹烯的合成起始于甲羟戊酸（MVA）途径。研究人员推测，在许多生物体中，HMG1 催化的从羟基 - 3 - 甲基戊二酰辅酶 A（HMG-CoA）到甲羟戊酸的反应，是萜类生物合成的主要限速步骤。于是，他们在解脂耶氏酵母中过表达酿酒酵母的 tHMG1 基因，以增加甲羟戊酸池，同时过表达青蒿的 QHS1 基因来合成 β- 石竹烯。在肥胖型 Δeyk1 菌株中，单拷贝的 QHS1 和 tHMG1 表达时，β- 石竹烯产量为 165.4mg/L；双拷贝时，产量提高到 201.5mg/L 。但额外表达 tHMG1 并没有进一步提高 β- 石竹烯的产量。
- 不同遗传背景对 β- 石竹烯生产的影响：研究人员发现，不同的遗传背景会影响目标化合物的产量。他们将含有 2 个拷贝 QHS1 和 tHMG1 的基因表达盒，分别导入野生型（WT）菌株和肥胖型 Δeyk1 菌株中。结果显示，WT 菌株的 β- 石竹烯产量比肥胖型 Δeyk1 菌株高 1.36 倍。这可能是因为肥胖型菌株中脂质和萜烯合成存在竞争，且 β- 氧化途径的抑制减少了脂质降解产生的乙酰辅酶 A 积累，从而影响了萜烯的合成。当在 WT 菌株中额外引入 3 个 tHMG1 表达盒时，β- 石竹烯产量达到 318.5mg/L，这是摇瓶培养中的最高产量。
- 底物优化对 β- 石竹烯生产的影响：由于赤藓糖醇在使用 pEYK1 启动子的野生型菌株中，既是细胞生长的碳源，又是基因表达的诱导剂。研究人员以表现最佳的 S610 菌株为对象，测试了 4 种不同的葡萄糖和赤藓糖醇浓度组合。结果表明，G1E3 条件下 β- 石竹烯产量最高，比仅含赤藓糖醇的培养基（G0E4）高 1.14 倍。
- 批次发酵生产 β- 石竹烯：研究人员使用表现最佳的 S610 菌株，在 5L 规模的生物反应器中进行批次发酵。结果显示，指数生长期持续了 45h，β- 石竹烯在发酵 24h 后随着赤藓糖醇的消耗开始积累，最终产量达到 798.1mg/L，这是在解脂耶氏酵母中报道的最高产量。
综合研究结论和讨论部分，这项研究成功在解脂耶氏酵母中构建了 β- 石竹烯的生物合成途径。通过诱导启动子和多拷贝整合调控关键酶的表达，优化底物浓度和发酵条件，显著提高了 β- 石竹烯的产量。这一成果不仅证明了解脂耶氏酵母作为萜烯生产平台菌株的潜力，还为微生物生产其他工业相关萜烯类化合物提供了重要的参考和借鉴。同时，研究也指出，虽然通过调控两种关键酶的表达实现了 β- 石竹烯的生产，但仍有提升空间，如通过代谢工程策略重新规划 MVA 途径、利用通量分析或组学分析确定合成途径中的瓶颈步骤等。未来，有望通过进一步的研究和优化，实现 β- 石竹烯更高效的生产，推动相关产业的发展。
