复旦团队代谢工程改造马克斯克鲁维酵母,利用淀粉合成肌醇

B站影视 电影资讯 2025-06-04 18:55 2

摘要:肌醇,又称维生素 B8,是一种广泛分布于植物、动物和微生物中的糖状环醇。它对人体有多种作用,包括降低胆固醇、促进毛发生长、预防湿疹、帮助脂肪再分配、有镇静作用,以及与卵磷脂合成。肌醇还对脑细胞有营养作用,并且在细胞信号传导中也发挥作用。

肌醇,又称维生素 B8,是一种广泛分布于植物、动物和微生物中的糖状环醇。它对人体有多种作用,包括降低胆固醇、促进毛发生长、预防湿疹、帮助脂肪再分配、有镇静作用,以及与卵磷脂合成。肌醇还对脑细胞有营养作用,并且在细胞信号传导中也发挥作用。

传统化学生产依赖植酸高温高压水解,每生产 1 吨肌醇伴随 10 吨含磷废水排放。微生物合成虽具环保优势,但天然菌株中超过 90% 的碳流涌向能量代谢,导致肌醇合成效率低下——这如同试图在泄洪通道中蓄水,本质上面临碳代谢流定向控制的重大挑战。

复旦大学生命科学学院吕红、周峻岗团队近期在 Bioresource Technology 发表的突破性研究“Metabolic engineering of Kluyveromyces marxianus to produce myo-inositol from starch”,通过四步精准代谢重编程改造马克斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus),首次实现从淀粉合成肌醇的工业化级产量,在补料分批发酵中肌醇的滴度高达 80.7 g/L。

其核心策略是构建“代谢闸门系统”。首先敲除糖酵解关键酶基因 PGI1 以封锁 EMP 途径,同时删除磷酸戊糖途径限速酶基因 ZWF1 截断 PPP 通路。这种双基因敲除菌株在纯葡萄糖培养基中生长完全停滞,但团队创新性引入 1% 甘油作为辅助碳源,成功恢复细胞增殖能力。甘油通过 C3 代谢提供细胞生长所需前体,而葡萄糖则被强制导向肌醇合成路径,使工程菌 KM-JC2 在摇瓶中产出 11.6 g/L 肌醇,较单基因缺失菌株提升 5.4%。

图 | PGI1 缺失菌株的代谢改造策略与表型验证

然而在 5 L 发酵罐放大试验中,KM-JC2 的肌醇产量意外降至 8.9 g/L。深入分析揭示出两大“代谢泄漏点”:肌醇加氧酶 MIOX5 将产物氧化为葡萄糖醛酸,而转运蛋白 ITR2 介导胞外肌醇的回收降解。团队对此实施精准修补,构建四敲除菌株 KM-JC4,使肌醇产量在摇瓶条件下跃升至 18.1 g/L,较前代提升 56.8%。该发现首次在酵母体系中证实阻断内源降解途径对肌醇积累的关键作用。

产能提升的关键突破在于解除碳分解代谢阻遏效应(CCR)。研究团队发现当葡萄糖浓度>2% 时,甘油利用率下降 37%,这与 Meijer 等报道的葡萄糖浓度依赖型抑制机制一致。通过建立葡萄糖-甘油双底物动态补料系统,将葡萄糖严格控制在 1-2% 阈值内,使 KM-JC4 菌株在 5 L 发酵罐中生物量达到 344,肌醇产量飙升至 80.7 g/L——这不仅刷新了酵母合成肌醇的世界纪录,较此前毕赤酵母最高产量提升 163%,更首次证实 Crabtree 阴性酵母在好氧发酵中的高值化合物合成优势。

为彻底摆脱精制糖原料依赖,团队开发了“单罐淀粉直酿”技术。从 10 种候选淀粉酶中筛选出来自 Blastobotrys adeninivorans 的 BadGIA,其酶活达 34 U/mL,且水解产物中葡萄糖占比 98%,显著优于其他酶产生复杂寡糖的特性。将 BadGIA 与肌醇合成模块整合至 KM-JC4 底盘,构建出超级菌株 KM-JC5。使用 5% 液化淀粉直接发酵时,菌株通过同步糖化发酵(SSF)实现肌醇产量 40.6 g/L,淀粉转化率高达 81.1%,相当于每吨淀粉产出 811 公斤肌醇。更值得注意的是,液化淀粉因预处理破坏晶体结构,其转化效率较可溶性淀粉提升 26%,凸显工业原料适配性的关键价值。

图 | BadGIA 酶解特性驱动淀粉直酿高效转化

该研究建立了农业原料至高端生物制品的极简路径,以玉米淀粉为例,按现行市场价格估算,肌醇生产成本可降低 40% 以上。工程菌平台更具普适性意义——通过调控 EMP/PPP 代谢平衡,理论上可延伸至其他多羟基化合物生产。随着团队进一步优化发酵工艺及拓展原料来源,以淀粉为基质的生物制造新时代正在加速到来。

参考链接:

1.Lan Q, Wu P, Yu Y, Zhou J, Lu H. Metabolic engineering of Kluyveromyces marxianus to produce myo-inositol from starch. Bioresour Technol. 2025 Jun;426:132370. doi: 10.1016/j.biortech.2025.132370. Epub 2025 Mar 8. PMID: 40064453.

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来源:生辉SciPhi

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