Nature Catalysis：江南大学白仲虎等团队合作改造酵母细菌，使其能利用甲醇合成多种增值生物产品

iNature

甲醇是一种有机单碳(C1)化合物，是微生物发酵的一种有吸引力的替代碳源。尽管大肠杆菌等原核生物在甲醇利用方面取得了相当大的进步，但工程真核模式生物如酿酒酵母菌合成甲基营养物仍然具有挑战性。

2023年5月15日，江南大学白仲虎、查尔姆斯理工大学Yun Chen、Jens Nielsen和中国科学院深圳先进技术研究院Jay D. Keasling共同通讯在Nature Catalysis在线发表了题为“Reprogramming methanol utilization pathways to convert Saccharomyces cerevisiae to a synthetic methylotroph”的研究论文，该研究结合自适应实验室进化的工程模块回路策略应用于工程酿酒酵母，使其能使用甲醇作为唯一的碳源。

该研究发现进化的以乙醛酸为基础的丝氨酸途径通过促进甲醛同化在甲醇依赖性生长中起重要作用。此外，该研究确定类异戊二烯生物合成途径被上调，导致进化的菌株中角鲨烯和麦角甾醇的浓度增加。这些变化可能潜在地减轻甲醇存在下细胞膜的损伤。这项工作为扩大酿酒酵母作为生物化学或生物燃料生产的潜在有机单碳平台的潜力奠定了基础。

甲醇等有机一碳(C1)化合物由于其丰富的来源、潜在的可持续和碳中性生产以及与粮食安全不冲突而成为微生物发酵的有前途的替代碳源。特别是，甲醇的丰富，以及它在室温下的液态，使其成为一种有吸引力的C1来源，与目前的运输和发酵基础设施兼容。虽然一些原生甲基养生物可以有效地吸收甲醇，但缺乏高效的遗传工具限制了这些生物进一步的基因改造。在过去的十年里，人们对从模型微生物中开发合成甲基营养物很感兴趣，但是尽管这项工作在原核生物如大肠杆菌方面取得了一些重要进展，但在真核模型系统方面却取得了有限的成功。

将酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae )等真核模式生物改造为甲基化营养生物不仅是一项科学挑战，而且对工业过程也有好处，因为酿酒酵母比原核生物更适合工业发酵条件(例如，对低pH值和溶剂有更高的耐受性)。此外，与非传统的甲基营养酵母毕赤酵母(毕赤酵母)相比，酿酒酵母已经开发出了大量的遗传工具，这加快了它作为一个高效的细胞平台的工程设计，用于从葡萄糖等单糖中生产各种生物燃料和生化物质。

最近的研究表明，在引入异源甲醇利用途径(如单磷酸木糖途径)或进行适应性实验室进化(ALE)后，酿酒酵母可以被改造成缓慢使用甲醇；然而，需要酵母提取物等共碳源来支持生长，这增加了大规模发酵的费用。对于进化后的酿酒酵母是如何利用甲醇的，人们仍然缺乏了解，这使得合理地设计酿酒酵母以甲醇作为唯一的碳源进行生长成为一项具有挑战性的任务。将酿酒酵母转化为合成甲基营养物需要解决几个问题，包括提高酶活性、回收中间体、平衡辅因子、增加能量产生和减少中间体(如甲醛)的毒性。

细菌内甲醇的代谢通路示意图（图源自Nature Catalysis ）

该研究通过工程模块回路(EMC)策略构建了合成甲基化酿酒酵母，并通过ALE进一步提高了其甲醇利用能力。EMC策略包括三个步骤：对酿酒酵母的异源甲醇利用途径进行组合工程，确定最佳的甲醇利用途径；甲醇利用途径进入酿酒酵母过氧化物酶体以减轻甲醛和过氧化氢(H2O2)的毒性并对模块回路进行优化。将甲醇利用途径分为四个不同的模块-双甲醇氧化，氧化还原穿梭，中间循环和丙酮酸羧化酶模块-并依次设计以提高能源产生和甲醇利用。

通过ALE进一步优化改造后的酿酒酵母菌株，该菌株不仅能够在以甲醇为唯一碳源和能源的最小培养基(MM)中生长，而且能够将甲醇转化为核黄素二磷酸腺苷酯等增值生物产品。进化的乙醛-丝氨酸(gSerine)途径被确定为进化的酿酒酵母菌株吸收甲醛的关键补充途径。由此合成的甲基营养酵母是一个有吸引力的生物合成平台，可以将甲醇转化为各种有价值的产品。

原始出处：

Zhan， C.， Li， X.， Lan， G. et al. Reprogramming methanol utilization pathways to convert Saccharomyces cerevisiae to a synthetic methylotroph. Nat Catal (2023). https：//doi.org/10.1038/s41929-023-00957-w.