利用工程化Yarrowia lipolytica高效降解食用植物中氰苷类毒素的代谢途径拓展研究

为解决食用植物中氰苷类毒素威胁食品安全的问题，研究人员通过整合植物源GH1糖苷水解酶（linamarase和β-glucosidase 7）构建了表型独特的工程化Yarrowia lipolytica菌株YXP08lb。该菌株通过激活氰化物抗性呼吸途径（AOX）和重构磷脂代谢，实现了对木薯、高粱和杏仁中多种氰苷（linamarin、amygdalin等）的高效降解（效率>90%），同时产生高价值单细胞磷脂（8.84 g/L）。研究为有毒植物的安全利用提供了可持续的生物转化方案，成果发表于《Communications Biology》。

　　

研究背景与意义
氰苷类毒素广泛存在于木薯、杏仁、高粱等主食作物中，其水解产物氢氰酸（HCN）可导致神经损伤甚至死亡。尽管传统物理化学方法能部分解毒，但存在效率低、二次污染等问题。尤其非洲和亚洲地区，每年因食用未充分处理的木薯造成数千人中毒。Yarrowia lipolytica因其GRAS（公认安全） status和天然氰化物抗性呼吸途径（AOX），成为理想的生物解毒载体。然而，现有微生物难以同时降解多种氰苷（如linamarin、amygdalin等），且缺乏对解毒机制的系统解析。

研究设计与方法
广东以色列理工学院的研究团队通过代谢工程策略，将木薯linamarase（Q41172）和水稻β-glucosidase 7（Q75I93）基因整合至Yarrowia lipolytica Polg基因组，构建重组菌株YXP08lb。研究采用HPLC定量氰苷降解效率，GC-MS/LC-MS分析脂质代谢重构，RNA-seq解析转录调控网络，并通过CRISPR-AsCpf1敲除关键基因验证核糖体生物合成（Rnt1）和蛋白分泌途径（SEC61β）的作用。

研究结果

1. 工程菌株构建与酶学特性
   重组linamarase-β-glucosidase 7复合体（Lina-Os3bglu7）对linamarin的降解效率达96.4%，催化效率（K_cat/K_m）提升至9.094 mM^-1S^-1。分子对接显示复合体通过增加氢键数量增强底物结合稳定性。

2. 代谢重编程与抗氰机制
   菌株通过下调脂肪酸合成基因（FAS1/FAS2）减少乙酰-CoA消耗，转而激活磷脂合成（如磷脂酰胆碱PC）。线粒体转录组显示AOX途径氧消耗量提升5倍（68.13 nmol/min），NAD⁺/NADH比值提高3倍，证实氰抗性呼吸的激活。

3. 解毒效率验证
   在木薯块茎（34.85 mg/g linamarin）和杏仁种子（54.87 mg/g amygdalin）中，YXP08lb 72小时内降解率>90%，并检测到中间产物mandelonitrile和benzaldehyde。

讨论与展望
该研究首次实现单一菌株对多源氰苷的高效降解，其创新性在于：① 通过GH1酶复合体拓展底物谱；② 揭示AOX途径与磷脂代谢的协同抗毒机制；③ 开发兼具解毒与高值产物（磷脂）的生产平台。未来可应用于有毒作物产区，或作为功能性食品添加剂（如护肝成分PC）的生产菌株。研究为合成生物学在食品安全领域的应用提供了范式，论文发表于《Communications Biology》。