华人学者代谢工程改造圆红酵母，将林业废弃物转化为石榴酸

在当今追求健康生活的浪潮中，人们对于营养丰富的食品和保健品的需求日益增长。其中，一种名为石榴酸（Punicic acid）的特殊脂肪酸因其潜在的健康益处而备受关注。石榴酸是一种共轭脂肪酸，主要存在于石榴种子油中，它具有抗炎、抗氧化、降血糖等多种生理功能。然而，从石榴种子中提取石榴酸的传统方法不仅成本高昂，而且产量有限。

为了寻找一种更高效、更可持续的生产方式，近日，加拿大阿尔伯塔大学农业食品与营养系陈冠群团队于Bioresource Technology在线发表了一篇题为“Engineering Rhodosporidium toruloides for sustainable production of value-added punicic acid from glucose and wood residues”的研究。研究人员将目光投向了一种特殊的酵母菌——圆红酵母（Rhodosporidium toruloides），并成功地利用它来合成石榴酸。

图 | 陈冠群和一作 Juli Wang（来源：阿尔伯塔大学）

圆红酵母是一种非传统的酵母菌，与熟知的酿酒酵母不同，圆红酵母具有积累大量油脂的能力，其细胞内的油脂含量可以超过干重的 60%，这使得它成为生产油脂的理想候选菌株，不仅如此，它能够利用多种碳源，包括五碳糖（如木糖）和六碳糖（如葡萄糖），这使得它在利用农业和林业废弃物（如木质纤维素水解液）生产生物产品方面具有巨大的潜力。

研究人员观察了石榴酸的自然合成过程后发现，石榴籽发育过程中，通过从头脂肪酸生物合成产生的油酸酯化为磷脂酰胆碱，然后在石榴特有的脂肪酸去饱和酶 2（PgFAD2）的作用下生成亚油酸，共轭酶 PgFADX 进一步将亚油酸转化为石榴酸。受此启发，研究人员决定将相关基因引入圆红酵母。

图 | 展示了改造后圆红酵母中石榴酸合成的代谢途径

首先，研究人员将编码石榴 PgFADX 的基因进行了密码子优化，以适应圆红酵母的遗传背景，并将其整合到圆红酵母的基因组中。经过改造，圆红酵母菌株能够将总脂肪酸的 3.7% 转化为石榴酸。然而，这一比例还远远达不到工业生产的理想水平。

为了进一步提高石榴酸的产量，研究人员又引入了 PgFAD2 基因，以及可能参与下游代谢过程的其他酶基因如 DGAT2 和 PDCT。通过这些基因的共表达，圆红酵母合成石榴酸的能力得到了显著提升。其中，共表达 PgFADX 和 PgFAD2 的菌株表现最为出色，它能够将总脂质的 12% 转化为石榴酸，其石榴酸滴度在摇瓶培养条件下达到了 451.6 mg/L。

图 | 共表达 PgFADX 与 PgFAD2 可显著提高重组菌株中的石榴酸含量

圆红酵母的另一个吸引人的特性是它能够利用木质纤维素水解液作为碳源。木质纤维素是农业和林业废弃物的主要成分，它的大量存在为微生物发酵提供了丰富的原料。

研究人员利用酶解法将木质纤维素水解为含有葡萄糖和木糖的水解液，并将其作为圆红酵母的培养基。实验结果显示，经过改造的圆红酵母维素水解液中生长，并将其中的糖类转化为含有石榴酸的单细胞油脂。在 100% 木质纤维素水解液的培养条件下，圆红酵母菌株能够将总脂肪酸的 6.4% 转化为石榴酸，其石榴酸滴度达到了 310 mg/L。这一结果表明，圆红酵母不仅能够在传统的葡萄糖培养基中合成石榴酸，还能够利用木质纤维素水解液这种低成本的原料进行生产，这对于实现石榴酸的可持续生产具有重要意义。

此外，为了深入了解合成的石榴酸在圆红酵母脂质中的分布情况，研究人员还对改造后的圆红酵母菌株进行了脂质分离和分析。结果显示，在氮限制条件下培养的圆红酵母细胞中，石榴酸主要积累在三酰基甘油（TAG）中，其含量显著高于极性脂质（PL）中的石榴酸含量。这与石榴种子中石榴酸主要分布在磷脂中的情况有所不同。此外，研究人员还对 TAG 的脂肪酸位置进行了分析，发现石榴酸更倾向于结合在 TAG 的 sn-1/3 位置。这些发现为未来的代谢工程策略提供了重要的线索，例如，通过进一步设计和改造代谢途径，有望进一步提高 TAG 中石榴酸的含量，如 sn-2 位置的含量等。

总之，该研究不仅为合成石榴酸这种珍贵的健康脂肪酸的生产提供了一种新的、可持续的方法，还充分展示了圆红酵母利用木质纤维素水解液的能力，为解决农业废弃物的处理问题提供了一种新的思路。除了生产石榴酸外，圆红酵母还可以通过基因改造生产多种其他特种脂肪酸，例如具有多种营养应用的 omega-3 脂肪酸。

该研究的第一作者 Juli Wang 指出，该菌株目前正在申请临时专利，可以作为面包酵母（目前批准的动物饲料补充剂）的替代品。

1. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S096085242401126X

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