甘露醇作为底物促进解脂耶氏酵母高效合成2′-岩藻糖基乳糖的研究及其在藻类资源可持续利用中的价值

为解决食品级碳源与工业需求间的矛盾，研究人员以海洋生物质甘露醇为突破口，利用解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)开展2′-岩藻糖基乳糖(2′-FL)生物合成研究。通过优化甘露醇转运体及GDP-d-甘露糖合成途径，构建的工程菌株在无机盐培养基中实现27.6 g/L的2′-FL产量，并证实褐藻加工废水的可利用性。该研究为海洋资源高值化利用提供了创新范式。

　　

在生物制造浪潮席卷全球的背景下，传统粮食基碳源与工业生产的矛盾日益尖锐。据经济合作与发展组织预测，到2030年生物制造将成为全球化学品生产的主要方式。然而，淀粉、葡萄糖等传统原料的大规模使用已引发"与人争粮"的伦理困境。与此同时，占地球表面70%的海洋中，褐藻以其惊人的生长速率（远超陆生植物）和无需耕地、淡水的特性脱颖而出。这些海洋巨人体内蕴藏着24-27%的甘露醇——一种被忽视的"海洋糖元"，但现有提取工艺每生产1吨甘露醇需消耗10吨海藻，且加工废水中的宝贵资源常被直接排放。

更令人振奋的是，甘露醇的还原当量(κ=4.67)高于葡萄糖(κ=4)，其代谢能产生大量NADPH——这正是合成高价值化合物2′-岩藻糖基乳糖(2′-FL)的关键驱动力。作为母乳寡糖的明星成分，2′-FL已被多国批准添加至婴幼儿配方奶粉，其市场需求呈现爆发式增长。解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)这个"微生物细胞工厂"因其食品安全级特性、天然缺乏乳糖代谢能力等特点，成为2′-FL合成的理想宿主。但如何利用海洋资源突破现有生产瓶颈，仍是悬而未决的难题。

山东大学的研究团队通过多组学联用技术，首次系统解析了解脂耶氏酵母的甘露醇代谢网络。转录组分析揭示内源己糖转运蛋白Yht1和Yht3在甘露醇摄取中的调控作用。研究人员采用模块化工程策略：一方面强化甘露醇转运系统，另一方面优化GDP-_d-甘露糖合成途径（2′-FL前体的关键节点）。通过引入异源基因——来自Mortierella alpina的GDP-_d-甘露糖-4,6-脱水酶(GMD)、Helicobacter pylori的GDP-_l-岩藻糖合成酶(GMER)和α-1,2-岩藻糖基转移酶(FutC)，以及Kluyveryomyces lactis的乳糖转运蛋白Lac12，构建出高效合成菌株MF3。

Mannitol generated and re-consumed during the 2′-FL production
研究发现，以甘露醇-乳糖为底物时，2′-FL产量显著高于葡萄糖体系。褐藻加工废水培养实验证实，工程菌能同步实现生物量积累(OD₆₀₀达35.8)和2′-FL合成，展现工业废水资源化的可行性。

Transcriptome analysis reveals metabolic rewiring
RNA-seq数据显示，甘露醇代谢触发中心碳代谢流重编程，三羧酸循环关键酶基因显著上调，NADPH供应量提升38%，为GDP-_l-岩藻糖转化提供充足还原力。

Strain engineering for enhanced 2′-FL production
通过启动子优化实现Yht3转运蛋白的过表达，使甘露醇摄取速率提高2.1倍；同时强化磷酸甘露糖变位酶(PMM)和GDP-甘露糖焦磷酸化酶(GMPP)的表达，GDP-_d-甘露糖库容扩大至原始菌株的3.7倍。

Fed-batch fermentation performance
在5L发酵罐中采用补料策略，最终获得27.6 g/L的2′-FL产量，碳转化率达到0.18 g/g，为目前报道的酵母基最高水平之一。

这项研究开创性地建立了"海藻-甘露醇-高值产物"的生物制造新范式。其科学价值体现在三方面：首次阐明解脂耶氏酵母甘露醇代谢的分子机制；开发出能直接利用褐藻废水的细胞工厂；为其他NADPH依赖型产物的合成提供新思路。从产业视角看，该技术使每吨褐藻加工废水的价值提升12-15倍，预计可降低2′-FL生产成本约23%。更深远的意义在于，这项成果为缓解陆地资源压力、开发"蓝色碳汇"提供了关键技术支撑，标志着生物制造向海洋时代迈出了重要一步。