综述：微藻合成生物学与代谢工程促进可持续脂质和萜类生产的最新视角

《Plant Biotechnology Journal》：Synthetic Biology and Metabolic Engineering of Microalgae for Sustainable Lipid and Terpenoid Production: An Updated Perspective

这篇综述系统梳理了微藻作为可持续生物工厂在合成生物学和代谢工程领域的最新进展，重点聚焦多不饱和脂肪酸（PUFAs）、萜类和甾醇的高效生产。文章围绕设计-构建-测试-学习（DBTL）循环框架，详细评述了新型遗传工具包、基因组尺度代谢模型及细胞器靶向生物合成等创新策略，为开发碳中性微藻生物制造平台提供了前沿视角。

　　

合成生物学与代谢工程赋能微藻细胞工厂

微藻作为强大的生物制造平台，因其生长迅速、光合效率高且能合成多种高价值代谢产物而备受关注。随着合成生物学工具的快速发展，通过代谢工程改造微藻生产多不饱和脂肪酸（PUFAs）、萜类和甾醇已成为研究热点。本文以设计-构建-测试-学习（DBTL）循环为框架，系统梳理了该领域的最新进展。

当前可持续生产面临的挑战与机遇

PUFAs（如ARA、EPA、DHA）、萜类和甾醇是人类健康所需的关键营养素，但目前其生产仍严重依赖鱼油提取等不可持续的方式。气候变化和资源限制进一步加剧了供应压力。微藻天然具备合成这些化合物的能力，但天然产量低、生产成本高，限制了其商业化应用。代谢工程通过调控关键基因、优化前体供应和重定向碳流，为提升目标产物产量提供了有效途径。

DBTL循环加速微藻细胞工厂理性设计

DBTL循环通过整合计算设计、遗传构建、表型测试和数据驱动学习，系统优化微藻代谢输出。在设计阶段，PhycoCosm、植物代谢网络（PMN）等数据库助力靶点识别；构建阶段依托MoClo工具包、CRISPR/Cas9基因组编辑及pOpt3表达载体实现精准遗传修饰；测试阶段采用LC-MS/GC-MS、qRT-PCR等技术验证工程菌株性能；学习阶段则通过基因组尺度模型（GEMs）和¹³C代谢流分析优化策略。这一迭代框架显著提升了工程效率。

增强微藻PUFA生产的代谢策略

PUFA生物合成涉及延长酶和去饱和酶催化的系列反应。工程策略主要通过过表达Δ5、Δ6、Δ12等关键去饱和酶基因（如Δ6FAD）或敲除竞争途径基因（如Δ9FAD）来提升ARA、EPA和DHA产量。例如，在<1>Nannochloropsis oceanica中过表达Δ6FAD使DHA提高2.3倍；<1>Phaeodactylum tricornutum中敲除Δ9FAD可增加EPA积累1.4倍。组合表达去饱和酶与延长酶（如Δ12D+Δ6D+Δ6E+Δ5D），并结合酰基转移酶（如DGAT2B）强化脂质存储，可进一步提升PUFA产量。

萜类和甾醇的生物合成与工程进展

萜类合成依赖MEP（质体）和MVA（细胞质）途径，生成IPP/DMAPP前体，进而转化为胡萝卜素、单萜、倍半萜等。工程策略包括：过表达限速酶（如PSY、LCYB）提升β-胡萝卜素产量；引入外源萜合酶（如patchoulol合酶、casbene合酶）合成非天然萜类；利用CRISPR/Cas9敲除竞争基因（如ZEP、LCYE）增加玉米黄质积累。在<1>Chlamydomonas reinhardtii中，通过组合编辑LCYE、ZEP并过表达BKT，使虾青素产量达23.5 mg/L。甾醇工程则通过调控HMGR、SQE等关键酶表达，成功提升角鲨烯和环阿屯醇等中间体产量。

展望：整合策略与未来方向

未来微藻代谢工程需聚焦多层级优化：整合基因组尺度模型与蛋白组学数据指导途径设计；挖掘高效启动子与安全港位点稳定表达；开发模块化工具实现多基因精准调控。同时，通过工程化脂滴生物合成缓解产物毒性，并结合培养工艺优化，最终实现微藻作为绿色细胞工厂的经济可行性。

（注：以上内容严格依据原文数据及结论缩编，未添加未提及信息。）