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章文明/信丰学团队：毕赤酵母利用一碳原料生产化学品

2023-05-23 07:04

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Cell Press CellPress细胞科学

生命科学

Life science

近日，南京工业大学生物与制药工程学院的章文明/信丰学教授在Cell Press细胞出版社期刊Trends in Biotechnology发表了题为“Bioconversion of C1 feedstocks for chemical production using Pichia pastoris”的前瞻性综述，系统阐述了甲醇细胞工厂的设计原则，并提出在毕赤酵母中实现二氧化碳的固定与生物转化的策略。

当前生物制造仍以谷物粮食为主要原料，寻找利用非粮物质作为生物发酵过程的原料，避免与“与民争粮、与粮争地”，不仅能缓解粮食危机，也是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要途径。毕赤酵母作为天然的甲基营养菌，近年来已经被开发用于多种高附加值化学品合成的底盘（图1）。在此基础上，通过代谢工程改造或耦合电化学催化有望实现从二氧化碳到化学品的生物转化，从而构建零/负碳排放的细胞工厂，助力双碳目标的实现。

▲图1. 利用毕赤酵母生产各种化学品

开发毕赤酵母利用甲醇生产化学品

开发毕赤酵母的甲醇细胞工厂需要谨慎考虑目标产物的选择。作为Crabtree-negative酵母，毕赤酵母倾向于将碳通量分配到生物量积累而非代谢物积累，这导致其难以积累大量的初级代谢物。又由于甲醇代谢能够产生大量的还原力，适合毕赤酵母生产的化学品往往是高还原性的次级代谢物，例如脂肪酸以及衍生物，芳香族氨基酸，萜类化合物等。

另一方面，毕赤酵母通过木酮糖单磷酸（XuMP）途径同化甲醇。然而，天然的甲醇利用途径面临着同化效率低，异化途径过强的问题。对此，需要通过理性设计改造甲醇同化网络或对异化途径进行破坏的方式优化碳通量用于目标产物的合成。值得注意的是，由于甲醇异化途径是细胞生长代谢的主要能量来源，对于异化途径的破坏需谨慎考虑其对代谢能量稳态的影响。

在毕赤酵母中增强化学品生产的策略

由于毕赤酵母中心碳代谢的代谢通量较低，通过代谢工程手段增强中心代谢尤其是丙酮酸以及乙酰辅酶A的供给对于化学品的生产至关重要。然而，由于甲醇代谢的相对刚性，对于代谢网络的改造尤其是敲除仍需考虑胞内的能量与还原力平衡。对于毕赤酵母，基于过氧化物酶体的区室化工程也是有效的策略这一策略不仅可用于强化目标产物的合成，也可用于定位底物利用途径，从而避免有毒中间代谢物对细胞的损伤。此外，作者提出构建一个包含上游菌株以及毕赤酵母的人工多细胞体系是解决前体供给不足的潜在策略（图2）。

▲图2. 在毕赤酵母中增强化学品生产的策略。(A) 加强前体/中间体供应；(B) 过氧化物

利用毕赤酵母同化其它一碳原料

一碳原料生物转化的终极目标是利用二氧化碳作为碳源。尽管可以通过代谢工程的手段引入异源二氧化碳利用途径（例如卡尔文循环或还原性甘氨酸途径）实现二氧化碳吸收与利用，这类人工自养微生物的低生长速率限制了其生产应用。对此，一个更为高效的替代方案是在体外通过电催化或化学催化等方式将二氧化碳还原为可溶性的一碳原料（例如甲酸或甲醇），然后用作微生物发酵的底物。

论文作者介绍

章文明，男，1988年9月出生，南京工业大学学科教授，主要从事一碳化合物的高效生物转化、功能酵母细胞工厂构建与调控。入选中国科协“青年人才托举工程”，江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师，江苏省科技副总，南京工业大学青年才俊拓原工程；担任Front Bioeng Biotech客座副主编和编委、《生物学杂志》编委，中国生物工程学会一碳生物技术专委会委员。主持国家自然科学基金面上/青年、国家重点研发计划子课题等纵向项目10余项，主持企业合作项目3项。以第一/通讯作者在生物工程领域权威期刊Trends Biotechnol、Green Chem、ACS Synth Biol等发表学术论文50余篇；申请中国发明专利27项，授权8项；参编教材及学术专著7部。

信丰学，教授，博导，2015年获得新加坡国立大学博士学位，南京工业大学碳中和研究院副院长。获江苏省“杰出青年基金”、“侯德榜化工科学技术奖”、江苏省“六大人才高峰”高层次人才、江苏省“生物技术优秀青年学者”等。主要从事生物合成功能营养品、人工多细胞体系功能调控与强化等方面的研究。主持国家自然科学基金面上（2项）、国家重点研发“合成生物学”重点专项子课题（2项）、江苏省杰出青年基金、江苏省农科院自主创新项目等10余项省部级以上课题，主持企业委托合作横向项目4项。以第一/通讯作者发表70余篇SCI论文，以第一发明人申请中国发明专利17项，授权6项。