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为解决微生物细胞工厂生产维生素 A（retinoids）产量不足问题，研究人员开展转运蛋白、ATP 和前体供应工程改造研究。结果显示可提升维生素 A 产量，为其生产提供新策略，对医药、健康和化妆品领域意义重大。
维生素 A（retinoids）是人体新陈代谢必不可少的营养物质，在医学、健康和化妆品等领域有着广泛应用。目前，商业维生素 A 主要通过化学合成法生产，但该方法存在反应步骤复杂、产量低、条件苛刻和原料成本高等问题。于是，利用微生物细胞工厂来合成维生素 A 成为了一个热门研究方向。然而，现有的微生物合成法产量仍无法满足工业需求，其中一个关键问题是类视黄醇等疏水性化合物在细胞内积累，会对细胞代谢造成负担，即便采用双相发酵原位提取技术，仍有相当一部分类视黄醇留在细胞内，严重限制了产量的提升。
为了攻克这些难题，来自国内的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《BioDesign Research》上，为维生素 A 的生产开辟了新路径。
研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：一是构建质粒和菌株，利用 pUMRI 质粒构建基因过表达菌株，运用 CRISPR - Cas9 技术构建基因敲除菌株；二是通过高效液相色谱（HPLC）对类胡萝卜素和类视黄醇进行分析，以此测定细胞内外不同形式维生素 A 的含量；三是借助分子对接技术，探究 PDR 转运蛋白与维生素 A 的结合情况。
下面来看看具体的研究结果：
- 筛选促进维生素 A 分泌和生产的 PDR 家族蛋白：研究人员将所有内源性 PDR 家族蛋白在已构建的酿酒酵母（S. cerevisiae）菌株 Y03（产视黄醇和视黄醛）和 Y03 - 784（产视黄醛和视黄酸）中分别过表达。结果发现，在 Y03 中，Pdr3p、Pdr10p 和 Snq2p 过表达显著提高了类视黄醇滴度，其中视黄醛产量增加明显，视黄醇产量有所下降，这表明这些转运蛋白对视黄醛的转运能力强于视黄醇。在 Y03 - 784 中，Pdr8p、Pdr11p、Pdr12p、Pdr18p 和 Aus1p 等过表达显著提高了视黄酸滴度，但部分菌株过表达这些转运蛋白并未增加细胞外视黄酸滴度，说明其提高视黄酸产量的机制并非简单的促进外排。
- 转运蛋白工程增强视黄醇和视黄醛的选择性生产：为研究 PDR 家族蛋白对视黄醛的底物特异性，研究人员构建了选择性产视黄醛的酿酒酵母菌株。通过敲除相关脱氢酶基因，降低了视黄醇比例，同时提高了视黄醛产量。在此基础上，过表达 Pdr3p 和 Pdr10p 等蛋白，进一步提升了视黄醛的产量和分泌比例。对于视黄醇的生产研究，在选择性产视黄醇的菌株 Y03 - 43 中，研究人员发现 Pdr3p、Pdr10p 和 Snq2p 可促进视黄醇外排和提高其滴度，并且不同启动子强度对转运蛋白的表达和视黄醇产量有显著影响。
- 增强线粒体融合和氧气供应确保 ATP 供应：由于 ABC 转运蛋白的运输依赖 ATP，研究人员在促进视黄醇生产的菌株中过表达线粒体融合相关基因 FZO1 和 MGM1，以及血红蛋白基因 VGB。结果显示，过表达 MGM1 可提高视黄醇滴度，过表达 VGB 也能增加视黄醇产量，但二者对菌株生长均有一定负面影响。最后，通过增强前体供应，过表达相关基因促进乙酰 - CoA 合成，敲除消耗乙酰 - CoA 的基因，成功使最终菌株 Yretinol - 54 的视黄醇产量达到 727.30mg/L。
研究结论和讨论部分指出，通过筛选 PDR 家族蛋白，结合转运蛋白过表达、ATP 供应增强和前体供应强化等策略，研究人员成功构建了高效生产维生素 A 不同形式的酵母细胞工厂。其中，Yretinal - 33 选择性生产视黄醛达 638.12mg/L，细胞外比例为 98.7%；Yra - 04 生产视黄酸 106.75mg/L；Yretinol - 54 从 20g/L 葡萄糖生产视黄醇 727.30mg/L，碳转化率达 7.62%，超过此前报道的最佳产率。这一研究表明，转运蛋白工程联合 ATP 和氧气供应工程是促进维生素 A 生物合成的有效策略，有望降低大规模发酵的通风需求，提供更经济的生产路线。不过，研究也发现转运蛋白和 VGB 过表达对生物量有负面影响，未来需在高密度发酵中平衡生长和生产，可通过动态调节表达水平和细胞膜工程来改善细胞膜的流动性和完整性。
