综述：酵母作为C1细胞工厂：将甲醇和甲酸盐转化为高价值化合物

这篇综述系统阐述了酵母（如Komagataella phaffii和Ogataea polymorpha）利用单碳（C1）化合物（甲醇/甲酸盐）合成高值化合物的最新进展，重点探讨了天然/合成甲基营养途径（XuMP/RuMP/rGly）、过氧化物酶体工程策略及适应性实验室进化（ALE）在提升生物制造效率中的应用，为构建气候中和型绿色生物经济提供了技术路线。

　　

酵母作为C1细胞工厂的转型之路

引言

甲基营养（methylotrophy）是微生物利用甲烷、甲醇等单碳（C1）化合物作为唯一碳源和能量的独特能力。近年来，液态C1底物如甲醇和甲酸盐因其高溶解度和可持续生产特性，成为替代传统糖基发酵的关键原料。酵母凭借其卓越的环境耐受性和真核蛋白表达能力，正被改造成新一代C1生物制造平台。

天然与合成甲醇代谢途径

天然甲基营养酵母主要通过木酮糖单磷酸（XuMP）途径同化甲醇：

• 过氧化物酶体内的酒精氧化酶（AOX1）将甲醇氧化为甲醛和H₂O₂

• 二羟基丙酮合酶（DAS）将甲醛固定为二羟基丙酮（DHA）进入中心代谢

• 谷胱甘肽依赖的甲醛脱氢酶（FLD）途径负责甲醛解毒

最新发现的还原甘氨酸（rGly）途径使Komagataella phaffii能同时同化甲醇、甲酸盐和CO₂。通过四氢叶酸循环将甲酸盐转化为丙酮酸，该途径展现出卓越的碳固定效率。

合成甲基营养的构建策略包括：

1. 异源表达细菌核酮糖单磷酸（RuMP）途径基因（MDH/HPS/PHI）

2. 设计嵌合XuMP/RuMP途径——例如将巴斯德毕赤酵母的DAS与芽孢杆菌的HPS-PHI模块组合

3. 计算机辅助设计非天然途径如SACA（合成乙酰辅酶A）途径

甲醇基生物制造进展

有机酸生产：

• 通过强化NADH依赖的乳酸脱氢酶（LDH），Komagataella phaffii实现D-乳酸产量3.48 g/L（产率0.22 g/g_甲醇）

• 过氧化物酶体靶向的3-羟基丙酸（3-HP）合成途径使产量达48.2 g/L

天然产物合成：

• 过氧化物酶体工程策略将β-法尼烯产量提升至0.338 g/L

• 多模块共培养系统使洛伐他汀产量提高71%

甲酸盐代谢新突破

酵母甲酸盐同化主要通过：

1. rGly途径：将甲酸盐经四氢叶酸循环转化为甘氨酸和丝氨酸

2. 进化发现的苏氨酸-丝氨酸双循环（gSer-tSer）

最新研究通过适应性进化使Yarrowia lipolytica耐受2 M甲酸盐，并利用Helicase-AID技术激活内源代谢通路。甲酸盐与葡萄糖共培养时，碳转化效率提升50%，为两段式CO₂-甲酸盐-生物制品路线奠定基础。

挑战与未来方向

关键瓶颈包括：

• 甲醛同化/异化途径的碳流平衡

• 天然甲基营养酵母遗传工具匮乏

• 甲酸盐代谢的NADPH供应不足

前沿解决方案涉及：

• CRISPR-Cas9介导的基因组重编程

• 机器学习指导的途径优化

• 细胞器区室化工程（如过氧化物酶体-线粒体偶联）

随着合成生物学与系统生物学技术的融合，酵母C1细胞工厂将加速实现从温室气体到高值化合物的闭环转化，推动生物制造进入碳中和新时代。