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为解决酿酒酵母中央碳代谢严格调控限制木糖转化为乙酰辅酶 A（Acetyl-CoA）衍生物的问题，研究人员开展模块化解除代谢调控研究，通过五大策略工程化改造代谢模块，使 3 - 羟基丙酸（3-HP）产量提升 4.7 倍，为木质纤维素生物转化提供新路径。
论文解读
在生物制造领域，利用可再生木质纤维素生产化学品是实现可持续发展的重要方向。木糖作为木质纤维素中含量第二的糖类，其高效利用对发酵过程的经济可行性至关重要。然而，酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的中央碳代谢受碳源严格调控，当以木糖为碳源时，代谢通量难以有效导向乙酰辅酶 A（Acetyl-CoA）及其衍生物的合成，这限制了木质纤维素的生物转化效率。如何突破代谢调控网络的限制，增强木糖向目标产物的代谢通量，成为该领域亟待解决的关键科学问题。
为攻克这一难题，中国科学院天津工业生物技术研究所与瑞典查尔姆斯理工大学等机构的研究人员合作，开展了题为 “Modular deregulation of central carbon metabolism for efficient xylose utilization in Saccharomyces cerevisiae” 的研究。该研究通过模块化解除中央碳代谢调控，显著提升了木糖向 Acetyl-CoA 衍生物的转化效率，相关成果发表在《Nature Communications》。
研究方法
研究采用多维度工程策略，包括：
- 启动子工程：筛选并表征木糖响应型启动子，调控关键基因表达；
- 转录因子（TFs）调控：通过过表达或敲除转录因子，重塑代谢调控网络；
- 异源酶引入：替换内源性酶以规避调控限制；
- 突变酶表达：改造酶的调控位点以增强活性；
- 生物传感器构建：实时监测胞内代谢物（如 NADPH、脂酰 - CoA）水平并反馈调控代谢流。
研究结果
1. 木糖响应型启动子的筛选与应用
通过 RNA-seq 分析和荧光报告系统，鉴定出 3 类启动子：木糖响应型、葡萄糖响应型和组成型。其中，木糖响应型启动子（如 pADH2、pSFC1）在木糖培养基中强度显著高于葡萄糖，替换木糖异构酶（XI）基因启动子后，细胞生长速率提升，证明其可有效增强木糖利用效率。
2. 3 - 羟基丙酸（3-HP）转化模块优化
构建从 Acetyl-CoA / 丙二酰 - CoA（Malonyl-CoA）到 3-HP 的合成路径，引入绿弯菌（Chloroflexus aurantiacus）的双功能酶 MCR，通过基因拆分、融合及启动子优化，最终使 3-HP 产量从 74 mg/L 提升至 2.1 g/L（葡萄糖培养基）。在木糖培养基中，利用木糖响应型启动子 pALD4 调控 MCR 组件，3-HP 水平再提升 92%。
3. 转录因子工程重塑代谢通量
通过差异 TF 分析，筛选出 Mbp1、Gcr1、Gcr2 等关键转录因子。过表达 Mbp1、Gcr1、Gcr2 使 3-HP 通量提升 22%，而敲除 Sip4、Mig1 分别提升 9% 和 11%。研究发现，调控转录因子可模拟葡萄糖代谢状态，推动木糖代谢向发酵型路径转变。
4. 糖酵解模块的解除调控
针对木糖代谢中糖酵解通量不足的问题，通过敲除糖异生基因（PCK1、FBP1）、过表达糖酵解酶（如 PYK1）、引入大肠杆菌（E. coli）异源酶（FbaA、GpmA）及突变酶（如 Pyk1E392A、Gpm1S116E），显著提升糖酵解通量。其中，组合过表达上游糖酵解基因（PFK1、PFK2、FBA1、TPI1）使 3-HP 产量增加 27%。
5. 丙酮酸节点的代谢分流优化
通过调控线粒体丙酮酸载体（MPC）基因表达，抑制丙酮酸向线粒体的分流，同时引入 PDH 旁路途径（如 EutE、PO/PTA 系统）及 Acc1 突变酶（S659A/S1157A），减少碳损失并增强 Acetyl-CoA 向 Malonyl-CoA 的转化。结合脂酰 - CoA 生物传感器调控脂肪酸合成，最终使 3-HP 产量达 7.46 g/L，较初始菌株提升 4.7 倍。
结论与意义
本研究通过系统性模块化策略，成功解除酿酒酵母中央碳代谢的严格调控，建立了木糖高效转化为 Acetyl-CoA 衍生物的代谢通路。研究揭示了糖酵解关键节点（如 PFK、PYK）、丙酮酸分流调控（如 MPC、PDH 旁路）及转录因子网络在木糖代谢中的核心作用，为木质纤维素的生物转化提供了新的理论依据和技术路径。所开发的启动子工程、生物传感器等工具，可推广至其他非葡萄糖碳源的代谢工程改造，推动 “细胞工厂” 在可持续化学品生产中的应用。该研究不仅提升了木糖利用效率，更展示了通过多模块协同调控重塑复杂代谢网络的可行性，为合成生物学和生物制造领域的发展提供了重要参考。
