综述：工业酵母Komagataella phaffii可用于先进的生物制造过程

《Biotechnology Advances》：The industrial yeast Komagataella phaffii blooms for advanced biomanufacturing

　　吕文|李云浩|王世杰|蔡梦豪
华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室，上海200237，中国

**摘要**
工业酵母Komagataella phaffii正成为先进生物制造的多功能底盘。本文系统总结了K. phaffii在重组蛋白表达传统应用之外的最新进展及其应用范围的扩展。这种酵母作为单细胞蛋白的可持续来源，在食品、饲料、生物材料、生物制药和工业酶等领域具有巨大的潜力，是大规模重组蛋白生产的主要宿主。除了蛋白表达外，它在多种天然产物的生物合成中也展现出良好的能力，包括黄酮类、生物碱、萜类和多酮类等。其灵活的代谢网络能够利用可持续的C1和C2底物，支持低碳和可持续的生物经济型生物制造。这些进展得益于基因工具箱的重大创新，特别是基于CRISPR的基因组编辑、合成启动子工程、可编程表达系统以及基因组规模的代谢建模，这些技术显著提高了菌株工程的精确度和效率。尽管具有这些优势，但在实现超高蛋白产量、开发适用于食品应用的人源化糖基化策略、提高细胞耐受性以及改进有毒天然产物的合成方面仍存在挑战。通过综合代谢工程和系统生物学方法解决这些限制对于将K. phaffii打造成下一代先进生物制造的工业主力具有重要意义。

**引言**
全球人口持续增长，预计到2050年将达到100亿（Gu等人，2021年），这将对传统的农业和工业制造系统提出巨大挑战，并导致严重的全球气候和环境问题。先进生物制造被认为可以为这些问题提供替代解决方案，从而在食品、医疗保健、环境和可持续性方面开启新的机遇（Zhang等人，2017年）。然而，与传统农业或化学制造相比，它在低成本和大规模生产方面仍面临挑战，尚未满足工业需求。
先进生物制造通常利用合成生物系统来生产具有商业价值的增值分子（无论是天然的还是工程化的），用于农业、食品、能源、材料、制药等行业（Zhang等人，2017年）。高产工程细胞工厂，如微生物、植物和动物，被称为先进生物制造的“芯片”，而高效且安全的底盘宿主及其支持工具系统则被比喻为“光刻机”，代表了整个生物制造链中的核心瓶颈和创新来源。近年来，在可量化和可预测性科学原理的指导下，合成生物学和人工智能正在推动对生物体的定量理解、系统重新设计甚至从头构建的范式转变。近年来，合成生物学的理论框架和方法工具得到了极大改进，为非天然生物系统的人工修改和重建奠定了基础（Jones等人，2024年）。然而，大多数理论探索和技术进步仍局限于模式生物，如大肠杆菌和酿酒酵母，导致大量专门的底盘菌株未被充分探索。这一限制主要源于非模式宿主遗传背景的不完全阐明及其生理和生化机制的缺乏深入研究。然而，不同底盘生物的独特遗传结构往往赋予它们特定的生理特性和生物功能，使其适用于特定应用。因此，揭示生物组分的操作原理并在非模式菌株中重建生物系统对于扩展生物制造的理论和应用边界也具有重要意义（Chan等人，2025年）。
在新兴的非模式底盘生物中，甲基营养型酵母因其能够利用甲醇作为唯一的碳源和能源而受到广泛关注。例如，Pichia pastoris在20世纪80年代发现了强甲醇诱导启动子（如酒精氧化酶1（AOX1）启动子）后，被开发成为一个强大的蛋白表达平台。这些启动子促成了著名的P. pastoris表达系统的建立，该系统已成为学术研究和工业生物技术中重组蛋白生产最常用的酵母平台之一。基因组测序、系统生物学和基因工程的持续进步进一步扩展了该平台在生物制造中的应用（Pe?a等人，2018年）。历史上，这个强大的系统包括后来被重新分类为Komagataella phaffii和Komagataella pastoris的菌株（Kurtzman，2009年；Yamada等人，1995年）。其中，K. phaffii已成为最近研究中使用最广泛且特征最明确的物种。它被美国食品药品监督管理局（U.S. FDA）批准为安全（GRAS）菌株（Schwarzhans等人，2017年；Pe?a等人，2018年）。作为真核宿主，K. phaffii支持适当的蛋白质折叠和温和的翻译后修饰，这对生物制药和功能性食品蛋白的功能至关重要（Lv和Cai，2025年）。此外，它强大的目标蛋白分泌能力和有限的内源性分泌副产物减少了非目标蛋白的干扰，有助于下游纯化过程。其广泛的原材料底物谱和高细胞密度也使其适用于大规模工业生产。尽管如此，其蛋白质生产能力仍需新的突破以达到工业规模产品的需求。另一方面，这种酵母在化学品生物合成方面也展现出巨大潜力，具有强大的多酶细胞内表达能力和与细菌或高级真核生物来源酶的良好兼容性（Gao等人，2023a；Qian等人，2025年）。它在天然产物和平台化学品的生物制造中展现出巨大潜力。
尽管具有这些优势，K. phaffii在先进生物制造中的广泛应用仍受到一些挑战的制约。该宿主的蛋白质生产能力仍需进一步提高以满足大规模产品的工业需求。此外，向复杂天然产物的代谢通量往往不足，限制了高价值化合物的有效生物合成。还需要解决与工艺相关的挑战，如大规模发酵优化和甲醇相关的毒性问题。此外，利用更新的基因工程工具箱提高可持续底物的有效利用对于推进循环生物基制造至关重要。

**本文概述了K. phaffii在先进生物制造领域的最新进展**，系统整理了其在饲料、食品和生物材料领域作为单细胞蛋白和大规模重组蛋白的应用。还描述了其在利用可持续C1–C2碳源和合成增值化合物方面的优势。进一步讨论了基因编辑和调控机制，这些机制使这种酵母宿主能够高效进行生物生产。最后，提出了K. phaffii在先进生物制造中的未来机遇和挑战。

**K. phaffii的发展历史**
K. phaffii的发展历史是分子生物学和生物技术发展史上的一个迷人篇章。20世纪50年代，Herman Phaff及其同事从加利福尼亚的橡树中分离出相关菌株，并将该物种重新命名为Pichia pastoris（Phaff等人，1956年）。20世纪60年代和70年代，人们发现这种酵母可以利用甲醇作为唯一的碳源和能源，并被Phillips Petroleum探索用于工业用途的单细胞蛋白生产。

**单细胞蛋白的高质量来源**
由于全球人口的持续增长和环境压力的加剧，识别可持续且高效的替代蛋白来源已成为全球食品和饲料生产的紧迫任务。由微生物产生的单细胞蛋白（SCP）是一种高质量的蛋白来源，具有高效生产、低资源消耗和广泛的底物适应性，能够解决日益增长的全球蛋白质需求。

**重组蛋白**
重组蛋白是生物制造领域最大的产品类别之一，涵盖食品添加剂、工业酶、生物制药等。对重组蛋白的需求持续增长，必须全面考虑蛋白质的性质、效率、成本和翻译后修饰。

**常见的表达系统**
常见的表达系统主要包括原核生物、真核生物和哺乳动物细胞。原核生物如大肠杆菌和枯草芽孢杆菌被广泛用于生物生产。

**天然产物的生物生产前景**
对大宗化学品和天然产品的需求增加推动了高效合成方法的探索。生物合成相比传统提取或化学合成具有优势，包括更短的周期、更低的成本、更高的效率和环境效益，特别是对于结构复杂的产品。最近的研究表明，K. phaffii具有作为天然产物生产工厂的潜力（表2，图2）。这主要归功于其高效的C1和C2底物转化能力。

**结论与未来展望**
总之，基因和代谢工程工具的快速发展从根本上将K. phaffii从一个传统的表达宿主转变为一个高度可编程且日益成熟的生物制造底盘。基因组编辑技术的不断扩展，加上动态和可诱导启动子系统以及系统级建模框架的出现，显著提高了菌株工程的精确度、灵活性和可控性。

**作者贡献声明**
吕文：撰写–原始草稿，撰写–审阅与编辑。
李云浩：撰写–原始草稿。
王世杰：撰写–原始草稿。
蔡梦豪：概念构思，资金支持，撰写–原始草稿，撰写–审阅与编辑。

**声明**
作者声明本工作中未使用任何生成式AI和AI辅助技术。
**利益冲突声明**
作者声明没有财务或非财务利益冲突。

**致谢**
本文得到了上海探索计划（24TS1411600）和上海农业科技创新项目（K2025017）的支持。