Metabolic Engineering｜汤红婷课题组构建酵母细胞核工程平台，实现单萜类化合物高效生物合成

       单萜类天然产物在食品、香精香料、化妆品、生物燃料以及可再生材料等领域具有广泛应用价值。传统的植物提取和化学合成方式逐渐显现出产量有限、成本较高及可持续性不足等问题。近年来，利用微生物细胞工厂进行绿色生物制造成为重要的发展方向。尽管线粒体和过氧化物酶体等亚细胞区室已被广泛用于微生物细胞工厂的构建与优化，但细胞核作为富含乙酰辅酶A的重要区室，其在萜类化合物生物合成中的潜力仍缺乏系统研究。

       针对这一挑战，我院汤红婷课题组在生物工程与应用微生物领域顶级期刊《Metabolic Engineering》发表题为“Harnessing the yeast nucleus for the efficient production of valuable monoterpenes”的研究论文，首次将酵母细胞核开发为区室化平台，揭示了细胞核在利用乙酰辅酶A驱动萜类生物合成中的潜力，并通过多区室协同工程显著提升了产物合成效率。

       该研究首次提出利用细胞核作为单萜合成新平台，并开展概念验证实验（图1）。将柠檬烯合酶ClLimS定位至细胞核后，工程菌株即可产生柠檬烯；进一步引入核定位突变型ERG20后，产量较胞质体系显著提升。随后在细胞核内重构完整的甲羟戊酸（MVA）途径，并通过优化关键酶基因的拷贝数，使柠檬烯产量进一步提高。在此基础上，该研究提出了细胞核与过氧化物酶体协同利用的“双区室代谢工程”策略，实现代谢通量的叠加效应。通过该策略，柠檬烯在摇瓶培养中达到362.07 mg/L，并在分批补料发酵条件下实现了克级产量。

图1. 将细胞核工程化为单萜类化合物生产的平台

       进一步研究表明，该细胞核工程平台具有良好的通用性（图2）。将香叶醇、(S)-(-)-柠檬烯、α-蒎烯、桧烯和莰烯等多种单萜合酶定位至细胞核后，其产量均明显高于胞质表达体系；在细胞核内进一步构建MVA途径后，各类单萜产物产量均得到进一步提升。此外，该策略在毕赤酵母中同样表现出良好的适用性，对细胞生长影响较小，显示出良好的跨物种应用潜力。该研究首次系统建立了以细胞核为核心的单萜代谢工程平台，为亚细胞区室工程提供了新的设计思路，也为高值天然产物的绿色生物制造提供了重要技术路径。

图2. 验证细胞核作为多种单萜类化合物生产平台的通用性

       本研究由中山大学与中国科学院深圳先进技术研究院合作完成，论文第一完成单位为中山大学农业与生物技术学院。王景、曹文兵和郑兆辉为论文共同第一作者；汤红婷副教授与于涛研究员为共同通讯作者。该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、绿色生物制造全国重点实验室以及深圳市科技局等项目资助。

       论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1096717626000212

初稿：王景     初审：汤红婷     审核：肖仕     终审：杨德胜