大连化物所周雍进：从酿造到智造，充分发挥酵母的潜力

最近，中国科学院大连化学物理研究所研究员和团队在构建酵母细胞工厂上，取得了系列进展。包括天然产物生物合成和甲醇生物转化等研究成果，论文分别在 Nature Chemical Biology、Nature Metabolism 以及 PNAS 等期刊发表。

图 | 周雍进（来源：）

事实上，每个人对酵母都不陌生，人类很早就用酵母进行酿酒以及烘焙食品的制作。随着现代生物技术特别是合成生物学的发展，我们可以根据需要对酵母进行量身定制，以用于合成所需要的产品。

在天然产物合成方面，和海军军医大学教授团队合作，采用酿酒酵母合成了酚酸类化合物[1]。

据悉，酚酸类化合物是很多药物分子的前体，研究中他们发现辅因子的供应和循环制约着酿酒酵母中酚酸类产物生物合成效率，酵母的辅因子存在于不同亚细胞器，构建生物合成途径要充分考虑到不同生物的代谢差异。

在甲醇生物转化方面，研究人员改造了甲醇酵母合成脂肪酸衍生物，发现甲醇代谢产物甲醛毒性制约着甲醇生物转化效率。结合定向进化和代谢工程，其提高了甲醇到脂肪酸的生物合成效率，并发现磷脂稳态对甲醇酵母的甲醇耐受非常关键[2,3]。

如前所述，酵母很早就在人类生活中发挥着重要作用，随着合成生物技术的发展，其将会在绿色生物制造发挥更广泛的作用。

酿酒酵母合成酚酸的研究说明：除了催化酶需要强化外，辅因子是另一个需要关注的方面，需要发展新颖的辅因子调控技术。

基于此，审稿人对上述工作评价称：这些研究启发了对辅因子代谢的认识，并依此发展了新颖可行的辅因子调控技术，强化了目标产物生物合成效率。

审稿人对甲醇生物转化工作评价道：这项工作揭示了甲醇毒性和耐受性的机制，为甲醇生物转化提供了理论基础和范例。其重要性在于：发现甲醇代谢比糖代谢更具有刚性特征，细胞利用甲醇生长到产物高效合成，需要细胞具备更好的甲醇耐受性。

论文发表后，受到不少同行的关注，目前已经有多个研究团队对该课题组表达了合作意向。同时，研究人员已将甲醇酵母遗传操作工具分享给 20 余家实验室以及企业，希望能在优化甲醇酵母细胞工厂方面起到一定帮助。

酵母细胞工厂在很多领域均有应用前景，可用于合成天然产物药物、大宗化学品以及精细化学品。认为在国内外同行的努力下，将有很多产品走向产业化。

对于研究过程，其表示科研始终充满挑战和不确定性，这也是科学的魅力所在。比如说，他们在改造多形汉逊酵母实现甲醇合成脂肪酸时，以及敲除酯酰辅酶 A 合酶基因 FAA1 以增加脂肪酸合成时，细胞在甲醇培养基中出现无法生长的情况。

期间，其曾尝试过理性设计强化前体和辅因子供给，但始终不能实现多形汉逊酵母在甲醇培养基中生长。

这让团队成员高教琪副研究员面临很大压力，最终他们决定改变思路。即采用实验室定向进化技术。团队成员李云霞经过两个月的驯化，最终实现了多形汉逊酵母脂肪酸高产菌株在甲醇中“起死回生”。

为了阐明其抗逆机制，课题组采用全基因组测序分析驯化菌株。这时又面临缺乏高质量基因组信息和测序公司测序不顺畅等难题，让研究耽误了近一年时间。

幸运的是，最后他们获得了高质量的测序信息，并结合转录组学和脂质组学初步阐明了甲醇毒性和细胞抗逆机制。

此外，论文在审稿过程中，受益于审稿人的启发，他们又进行了脂质组学探索，借此从基本上揭示了甲醇毒性机制，真正体现了同行评议的价值。这个过程虽然艰辛，但是一步步接近科学发现真理的过程让其受益良多。

“这里我特别想分享一下甲醇生物转化研究的过程。我刚回国建立研究团队时，结合我们大连化物所的研究背景以及生物炼制的原料需求，决定开展甲醇生物转化研究。大连化物所给予了创新基金和启动经费的支持，随后又获得海外人才引进计划和国家自然科学基金优秀青年基金的支持，在这些项目的支持下，我们经过近五年的研究，终于取得初步进展。”说。

总结来看，这些研究结果表明酵母细胞工厂具有很大潜力，但是结果还是初步的，仍有很多未知等待探索。“相信随着我们对酵母细胞代谢的深入认识，会促进很多产品的产业化应用。作为研究机构，我们更多的是机制探索，后面继续提高产量需要产业界更多的投入与参与。”他补充说道。

据介绍，该课题组专注于构建和优化酵母细胞工厂，以一碳资源和生物质原料合成大宗化学品以及天然产物药物等。下一步，在天然产物生物合成方面，该团队将继续完善酿酒酵母平台，实现一些药用价值高的天然产物的高效合成。在甲醇生物转化方面，将继续提高甲醇酵母对甲醇的耐受性，以及甲醇到目标产物的生物转化效率，并实现二氧化碳和甲醇的共利用，进一步提高原子经济性

参考资料：

1. Chen R. B., Gao J. Q., Yu W., Chen X. H., Zhai X. X., Chen Y., Zhang L.*, Zhou Y. J.*, Engineering cofactor supply and recycling to drive phenolic acid biosynthesis in yeast, Nature Chemical Biology, 2022, 18, 520-529,

2. Gao J. Q., Li Y. X., Yu W., Zhou Y. J.*, Rescuing yeast from cell death enables overproduction of fatty acids from sole methanol, Nature Metabolism, 2022, 4, 932-943.

3. Cai P., Wu X.Y., Deng J., Gao L. H., Shen Y. W., Yao L., Zhou Y. J.*, Methanol biotransformation toward high-level production of fatty acid derivatives by engineering the industrial yeast Pichia pastoris, Proc. Natl. Acad. Sci.USA, 2022, 119(29), e2201711119