厨余垃圾变废为宝，天大团队利用酵母工程合成维生素D3前体

维生素 D3 因其在骨骼健康、免疫调节及疾病预防中的重要作用，被誉为“阳光维生素”。它的前体物质——7-脱氢胆固醇（7-DHC），不仅是维生素 D3 工业生产的关键中间体，还因其在新兴医学领域（如抗癌治疗中的铁死亡调控）中的潜力而备受关注。然而，传统从羊毛脂提取或化学合成 7-DHC 的方法，不仅依赖高耗能和高污染的工艺，还存在原材料成本高、环境负担大的缺陷。

面对这一挑战，天津大学研究团队通过合成生物学和酵母工程技术，成功开发了一条绿色生产 7-DHC 的途径。他们利用改造后的解脂耶氏酵母以厨余垃圾为主要碳源，将 7-DHC 的产量推向历史新高，为其生物生产提供了一条有希望的途径。这项成果近日发表在 Journal of Agricultural and Food Chemistry 上，题为“Multiple Strategies Enhance 7‑Dehydrocholesterol Production from Kitchen Waste by Engineered Yarrowia lipolytica”。

7-DHC 的合成依赖于 Δ24-脱氢胆固醇还原酶（DHCR24），该酶负责催化合成路径中的关键末端步骤。研究团队筛选了来自鸡、牛、热带爪蟾和斑马鱼的 4 种 DHCR24 基因，分别在解脂耶氏酵母菌中表达并比较其合成效率。结果表明，来自牛（B. taurus）的 Bt_DHCR24 的基因工程化菌株 7-DHC 产量显著高于其他。

在菌株选择中，团队发现菌株 Po 1f 因基因组缺失了两个外切酶基因（AXP 和 AEP），对外源蛋白破坏较小，外源蛋白表达优势明显。在 Bt_DHCR24 的支持下，该菌株 7-DHC 产量达到 21.8 mg/L。基于此，团队确立了Bt_DHCR24 与 Po 1f 菌株的组合作为优化起点，为后续研究奠定了基础。

在解脂耶氏酵母中，7-DHC 合成受固醇竞争途径限制，尤其是 ERG5 基因参与的麦角固醇合成。研究团队通过敲除 ERG5 基因，提高了代谢通量向 7-DHC 方向的流动，7-DHC 产量达到 45.0 mg/L。7-DHC 合成起始于乙酰辅酶 A，经甲羟戊酸（MVA）途径生成 FPP，再转化为 7-DHC。通过引入强启动子，研究团队分三组整合 MVA 途径的 8 个关键基因（ERG10、ERG13、ERG12、ERG8、ERG19、IDI、ERG20、HMG1），使碳通量有效导向 7-DHC 合成，产量提高两倍。尽管敲除了 ERG5 基因，部分碳流仍可能通过 ERG6 基因（编码 C-24 固醇甲基转移酶）转化为非目标产物麦角固醇的前体。于是研究团队进一步敲除 ERG6 基因，减少竞争途径，最后引入异源 Bt_DHCR24 基因，将该基因整合至酵母基因组中，7-DHC 产量提升至 145.6 mg/L，为后续优化奠定了基础。

碳源是培养基中影响 7-DHC 产量的重要因素。研究团队通过梯度实验评估葡萄糖浓度对 7-DHC 产量的影响，结果显示葡萄糖浓度与 7-DHC 总产量呈正相关，但单位生物量产量（mg/g DCW）随浓度增加而微降，暗示高葡萄糖浓度主要通过促进细胞生物量积累间接提升 7-DHC 合成效率。经筛选，确定80 g/L 为最优葡萄糖浓度。

氮源的种类和比例同样对酵母的生长和目标产物的合成起到关键作用。通过比较不同供应商的蛋白胨和酵母提取物，发现高氨基氮比例的蛋白胨有利于 7-DHC 积累。团队选用 Oxoid 蛋白胨和安琪酵母提取物，并经响应面法优化，确定最佳配比为葡萄糖 83.1 g/L、蛋白胨 15.0 g/L、酵母提取物 11.7 g/L，预测产量达 405.8 mg/L，实际产量 391.0 mg/L，与模型预测高度吻合，证实了优化策略的有效性。综合优化培养基的实验表明，合理调整碳源和氮源的比例，能够显著提升 7-DHC 的合成效率。

厨余垃圾，富含淀粉、脂肪和蛋白质，是城市有机废弃物的关键组成部分。研究团队对采集的厨余垃圾进行了成分分析，其比例约为淀粉 49.6%、脂肪 34.9%、蛋白质5.8%，主要含 C16-C18 长链脂肪酸，适作为酵母碳源。实验中，厨余垃圾部分替代葡萄糖显著提升 7-DHC 产量，最佳比例为 5:3，产量达 481.3 mg/L。

厨余垃圾中的脂肪需要分解为可被酵母细胞吸收的甘油和游离脂肪酸，研究团队通过共表达外切脂肪酶 LIP2 和甘油三酯酰基转移酶 DGA1，增强了酵母对厨余垃圾中脂肪的吸收和利用。实验中，团队筛选了来自不同物种的 LIP2 基因，发现来自同温层芽胞杆菌（Bacillus stratosphericus）的 LIP2 表现最佳。将 LIP2 和 DGA1 基因导入酵母后，7-DHC 产量从 541.4 mg/L 提升至 641.1 mg/L。为进一步提高 7-DHC 产量，研究团队在 5 L 发酵罐中进行了分批补料发酵实验。以厨余垃圾和葡萄糖的混合物为初始碳源，发酵过程中逐步补充碳源和氮源。发酵至 130 h 时，7-DHC 的产量达到了 3497.1 mg/L，创造了解脂耶氏酵母中 7-DHC 生产的历史新高。

天津大学的研究团队通过基因改造和路径优化，将厨余垃圾成功转化为 7-DHC，其产量达到 3.5 g/L，刷新了酵母菌中合成 7-DHC 的记录。该研究不仅展示了合成生物学在绿色生产中的巨大潜力，也为资源循环利用和环境保护提供了创新的解决方案。未来，这一技术有望在工业化生产中实现大规模应用，为维生素 D3 产业和厨余垃圾处理行业带来革命性变化。

参考文献：

1.Dong T, Zhou X, Hou Z J, et al. Multiple Strategies Enhance 7-Dehydrocholesterol Production from Kitchen Waste by Engineered Yarrowia lipolytica[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2024.

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