天津工生所等模块化调控中心碳代谢，高效利用木糖生产化学品

在可持续发展和绿色化学的背景下，利用可再生资源生产高价值化学品已成为全球科研热点。木糖，作为植物生物质中含量第二丰富的糖类，其高效利用对于生物基化学品生产的经济性至关重要。然而，传统酵母菌株在利用木糖时，受到中心碳代谢严格调控的限制，代谢通量受限，严重影响化学品的生产效率。尤其是在生产乙酰辅酶 A 衍生产品时，如何突破中心碳代谢的调控瓶颈，成为科研人员亟待解决的难题。

为应对这一挑战，中科院天津工业生物所李晓伟课题组联合瑞典查尔姆斯理工大学 Jens Nielsen/陈云团队在 Nature Communications 发表了一项突破性研究，题为“Modular deregulation of central carbon metabolism for efficient xylose utilization in Saccharomyces cerevisiae”。该研究通过多维度的工程策略，成功优化了酵母的中心碳代谢，大幅提升了木糖转化为乙酰辅酶 A 的效率，并以 3-羟基丙酸（3-HP）为例，验证了其在化学品生产中的应用潜力。

具体来说，团队创新性地提出了一种模块化调控策略，可通过中心碳代谢实现木糖的高转化率。其中，中心碳代谢分为三个不同的模块：糖酵解模块、线粒体模块和丙酮酸脱氢酶（PDH） 旁路模块 ，每个模块都包含一系列关键酶和代谢途径，并针对每个模块的特性分别设计了不同的工程策略。

包括以下五种工程手段：1）启动子工程：通过筛选和优化启动子，调控关键酶的表达水平，以适应木糖利用的需求；2）转录因子调控：通过过表达或敲除特定转录因子，模拟葡萄糖条件下的代谢状态，增强代谢通量；3）生物传感器构建：开发基于代谢物响应的生物传感器，实时监测并优化代谢途径；4）异源酶引入：引入外源酶，优化代谢网络，提高木糖到乙酰辅酶A的转化效率；5）突变酶表达：优化酶的催化性能，突破代谢瓶颈。这些策略协同作用，使得酵母在木糖上的代谢通量显著提升。

图 | 团队提出的模块化调控策略用于优化中心碳代谢

糖酵解模块：研究人员发现，在木糖条件下，酵母细胞中糖酵解和糖异生途径的酶同时活跃，形成了无效循环。通过删除糖异生关键基因 PCK1 和 FBP1，成功阻断了这种能量浪费。不仅如此，研究人员还通过引入来自大肠杆菌的异构酶，或表达去磷酸化突变的酵母酶，有效绕过了内源性酶的翻译后修饰调控，成功地提高了木糖向丙酮酸的转化效率。

线粒体模块：研究人员通过调节丙酮酸转运蛋白的表达，控制了丙酮酸进入线粒体的速率。他们发现，通过降低 Mpc3 基因的表达，可以减少丙酮酸进入线粒体的数量，从而将更多的碳通量导向乙酰辅酶 A 的合成。这一策略有效地提高了木糖向乙酰辅酶A的转化效率。

PDH 旁路模块：研究团队通过引入外源酶和构建新的调控系统，进一步优化了丙酮酸向乙酰辅酶 A 的转化过程。他们引入了一种来自大肠杆菌的丙酮酸氧化酶（PO）和磷酸转乙酰酶（PTA），这两种酶能够将丙酮酸直接转化为乙酰辅酶 A，从而绕过了酵母菌自身的丙酮酸脱氢酶旁路的调控限制。此外，他们还构建了一种基于生物传感器的调控系统，能够根据细胞内脂肪酰辅酶 A 的水平自动调节脂肪酸合成酶的表达。这种调控系统有效地避免了脂肪酸合成对乙酰辅酶 A 的过度消耗，从而提高了乙酰辅酶 A 向目标产物的转化效率。

在优化了酵母菌的中心碳代谢之后，研究人员将目光投向了一种具有巨大应用潜力的化学品——3-羟基丙酸（3-HP）。其作为一种重要的平台化合物，可以用于生产多种高附加值的化学品，如生物塑料、生物燃料和药物中间体。通过在酵母菌中引入一种来自 Chloroflexus aurantiacus 的双功能酶 MCR，研究人员成功地将乙酰辅酶 A 转化为 3-HP，并在经过一系列的代谢工程改造后获得了能够高效生产3-HP的酵母工程菌株（RC32F2p8）。

图 | 团队提出的模块化调控策略用于优化中心碳代谢

最终，该工程菌株在以木糖为碳源的条件下，3-HP 的产量达到了 7.46 g/L，比初始优化菌株提高了 4.7 倍，而比初始菌株提高了约 100 倍。这表明通过模块化调控策略对酵母菌中心碳代谢的系统优化，显著提升了木糖向 3-HP 的转化效率。

这项研究标志着酵母工程在利用非葡萄糖碳源生产化学品领域又推进了一步。通过综合运用多种工程策略，研究团队成功突破了中心碳代谢的调控限制，为可持续化学品生产提供了新的技术路径。未来，这一策略有望扩展至更广泛的生物基化学品生产，推动绿色化学的发展。

李晓伟研究员和王岩岩博士为论文的第一作者，Jens Nielsen 教授和陈云博士为论文的通讯作者。该研究得到了天津市合成生物技术创新能力提升行动（TSBICIP-CXRC-084）等项目的资助，中科院天津工业生物技术研究所为论文的第一单位。

参考文献：

1. Li, X., Wang, Y., Chen, X. et al. Modular deregulation of central carbon metabolism for efficient xylose utilization in Saccharomyces cerevisiae. Nat Commun 16, 4551 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59966-x

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