湖南大学代谢工程改造酿酒酵母，实现木糖高效合成对香豆酸

木质纤维素生物质作为可持续的第二代原料，其有效利用对能源和化工可持续发展至关重要。木糖作为木质纤维素水解液中含量第二丰富的糖，其高效转化是提升整体生物炼制效率的关键。然而，工业主力微生物酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）对木糖的天然代谢效率低下且不可预测，限制了其实际应用。

近期，湖南大学联合湖南省农业科学院的研究团队在 ACS Synthetic Biology 期刊发表重要研究成果“Xylose-Driven Metabolic Reprogramming in Saccharomyces cerevisiae for Enhancing p-Coumaric Acid Production”，通过对酿酒酵母进行系统的代谢工程改造，成功构建了高效利用木糖的菌株，并利用木糖代谢的独特优势，显著提升了对香豆酸（p-Coumaric Acid, p-CA）的生物合成效率，产量达到目前报道的木糖单独生产 p-CA 的最高水平，为利用丰富的木质纤维素资源可持续生产高价值天然产物开辟了新途径。

为赋予酵母高效木糖利用能力，研究团队引入木糖异构酶途径（XI），表达外源 PiXI 基因及内源 XKS1 基因，打通木糖至磷酸戊糖途径（PPP）的转化。但初始菌株 FJ01 木糖生长微弱，增加基因拷贝仅有限改善生物量，且引发木糖醇积累，揭示代谢瓶颈。

图 | 木糖驱动 p-香豆酸合成代谢路径

深入分析指出，副产物木糖醇的积累和甘油合成途径是限制生长的重要因素。研究人员系统性地敲除了负责木糖醇合成的基因 GRE3、YPR1、ADH6 以及甘油-3-磷酸脱氢酶基因 GPD1。这一策略成效显著：四基因敲除菌株 FJ04 完全消除了木糖醇积累，其生物量较基础菌株 FJ01M1 大幅提高了 9.62 倍。进一步的优化，包括敲除基因 SNF5 以缩短生长延滞期，使菌株 FJ07 的生物量进一步提升。

高效的木糖跨膜转运是实现快速代谢的前提。研究人员在 FJ07 菌株中过表达了多种内源性木糖转运蛋白（Gal2，Hxt7，Hxt11）及其经改造提升亲和力的突变体（如 Gal2N376F，Hxt7F79S，Hxt11N366D）。筛选结果显示，菌株 FJ13（过表达突变体转运蛋白 Hxt7）效果最优：该菌株在木糖培养基中 120 小时即达到最大生物量，较起始菌株 FJ07 提高了 22%；其最大比生长速率更是提升了 45%。至此，一个能够高效同化利用木糖的工程酵母底盘菌株 FJ13 成功构建。

与葡萄糖下典型的乙醇溢流（Crabtree 效应）不同，工程酵母 FJ13 以木糖为碳源时，乙醇和甘油产量极低，代谢模式发生根本转变。

更重要的发现体现在能量代谢层面。与葡萄糖条件相比，FJ13 菌株在木糖培养下的胞内 ATP 含量显著增加了 11.84 倍。与此同时，反映细胞氧化还原状态的 NADH/NAD⁺ 比率大幅降低，仅为葡萄糖条件下的 11.17%。这种低 NADH 状态源于木糖代谢过程中糖酵解通量的降低，而 NADH 的受限直接影响了乙醇脱氢酶（ADH）的活性，从机制上抑制了乙醇的合成。综合这些代谢特征——极低的乙醇/甘油溢流、显著提升的 ATP 水平以及受限的 NADH 可用性——表明工程酵母在代谢木糖时展现出了类似于 Crabtree 负性酵母的表型。这种代谢重塑优化了碳流分配，最大程度减少了碳源浪费，并显著提升了能量（ATP）的再生效率。

p-香豆酸（p-CA）是一种具有重要生物活性的芳香族化合物，是类黄酮、酚酸等众多高价值天然产物的关键前体。其生物合成依赖于莽草酸途径，需要充足的前体 Erythrose-4-phosphate (E4P) 和 Phosphoenolpyruvate (PEP)，以及大量的 ATP 供应（例如莽草酸磷酸化步骤）。木糖代谢天然倾向于通过非氧化磷酸戊糖途径（noxPPP）产生更多的 E4P，而新发现的高 ATP 特性恰好为 p-CA 等耗能产物的合成提供了理想条件。

研究团队在高效木糖利用菌株 FJ13 中整合 p-CA 合成途径（TAL/PAL），初代菌株 FJ16 产量达 467.95 mg/L，但出现生长抑制，推测源于前体 E4P 竞争。通过在合成途径菌株中质粒过表达 PiXI/XKS 增强木糖通量，成功解除生长抑制并使 p-CA 产量提升 43.12% 至 919.17 mg/L，该产量较葡萄糖模式高出 30.90%，凸显木糖碳源优势。

为突破产量瓶颈，研究人员系统优化莽草酸途径。将降解基因 ARO9 替换为抗反馈抑制变体 ARO4m/ARO7m，产量提升 18.51% 至 1089.84 mg/L；过表达大肠杆菌莽草酸激酶基因 aroL 和 aroK，分别实现 18.88% 与 12.00% 的增幅；过表达内源莽草酸脱氢酶 ARO1 进一步增产 14.71%。最终组合策略应用于菌株 FJ25，木糖为唯一碳源时 p-CA 产量达 1293.15 mg/L，较前阶段菌株 FJ19 提升 40.69%，较葡萄糖模式显著提高 68.29%，创木糖单一碳源生产最高纪录。

图 | 莽草酸途径系统优化实现产量突破

该研究揭示的木糖代谢优势为酵母合成高能耗天然产物提供了全新策略。基于此构建的高效平台菌株，可进一步拓展至其他高值芳香族化合物（如黄酮、苯丙素类）。结合木质纤维素水解液定向转化技术，有望推动农业废弃物资源化利用，成为绿色生物制造的重要方向。

1.Zhao Y, Xiao Z, Wang Y, Tan X, Zhang S, Lu Q, Hu F, Zuo S, Shan Y, Liu J, Li G. Xylose-Driven Metabolic Reprogramming in Saccharomyces cerevisiae for Enhancing p-Coumaric Acid Production. ACS Synth Biol. 2025 Jun 27. doi: 10.1021/acssynbio.4c00792. Epub ahead of print. PMID: 40576047.

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