摘要：在香水、食品调味和农业领域，香茅醇是一种备受青睐的化合物。它不仅能为香水增添迷人的香气，为食品带来独特的风味，还可用作农业中的植物源驱虫剂，促进作物健康生长。然而，传统的香茅醇生产方法面临着诸多挑战，如植物提取效率低下、化学合成成本高昂且不环保等。因此，利用微
在香水、食品调味和农业领域，香茅醇是一种备受青睐的化合物。它不仅能为香水增添迷人的香气，为食品带来独特的风味，还可用作农业中的植物源驱虫剂，促进作物健康生长。然而，传统的香茅醇生产方法面临着诸多挑战，如植物提取效率低下、化学合成成本高昂且不环保等。因此，利用微生物细胞工厂进行香茅醇绿色合成，成为近年来备受关注的研究方向。
近日，天津大学化工学院肖文海、王颖、元英进等人在 Journal of Agricultural and Food Chemistry 上发表了一篇题为“Systematic Engineering To Enhance Citronellol Production in Yeast”的研究。研究团队通过一系列代谢调控措施，成功构建出了具备高效香茅醇合成能力的酵母平台菌株，并使其在百升生物反应器中实现了 10.556 g/L 的香茅醇积累，是目前以来酵母体系中报道的最高水平。
图 | 生产香茅醇的酵母菌株构建示意图
对于香茅醇的生物合成，主要面临着前体供应不足、辅因子短缺和细胞毒性三大挑战。
其中，前体物质焦磷酸香叶酯（GPP）的供应不足是首要瓶颈。甲羟戊酸（MVA）途径是 GPP 合成的关键路径，研究团队在前期高产菌株基础上，向酵母基因组的中性位点（int11、int14）整合了 MVA 途径基因 ERG10、ERG13、ERG12 和 ERG19 的额外拷贝。实验表明，单独整合 ERG10 与 ERG13 使香茅醇产量提升 14.15%，而整合 ERG12 与 ERG19 则实现了 16.55% 的增长，当进一步叠加两组基因时，产量增幅达到 45.1%。这一结果表明，强化 MVA 途径的多基因表达能有效推动碳流进入香茅醇合成路径。
辅因子 NADPH 可以参与香茅醇合成的还原反应，其供应不足同样制约着香茅醇合成。研究人员发现，过表达戊糖磷酸途径（PPP）的非氧化途径基因 TAL1 和 TKL1，可通过促进 PPP 非氧化阶段的代谢流来提升 NADPH 供给，使香茅醇产量提高 16%。此外，研究还尝试整合 NADH 激酶 YEF1 和 POS5Δ17，虽分别使产量提升 6.7% 和 4.2%，但效果不及 PPP 途径改造显著。这表明优化 PPP 途径是增强 NADPH 供应的更有效策略。
香茅醇作为单萜类化合物，具有一定的疏水性和生物活性，容易在细胞内积累并干扰膜结构和代谢过程。为缓解产物毒性对酵母细胞造成的压力，研究团队引入过氧化物酶体定位策略，将 ERG20ww 和 ERG8 等关键上游酶的 C 端融合 SKL 信号肽，引导它们定向进入酵母细胞内的过氧化物酶体——类似于一个天然的“隔间”，从而有效减少了毒性中间体在胞质中的暴露。
实验验证，这些酶成功定位后，细胞状态明显改善，工程菌株的生物量提升约 20%，同时香茅醇产量提高至 2.45 g/L。进一步地，团队将合成路径末端的 tCrG1011ES 和 CrIS 也定位至过氧化物酶体内，在降低香茅醇本身毒性胁迫的同时，进一步增强了菌株的耐受性和产物合成能力。
此外，内源转运蛋白的筛选和 PDR1 的整合减轻了香茅醇的细胞毒性，使香茅醇产量提高至 3.38 g/L。
经过以上一系列代谢调控措施，研究团队成功在试管规模实验中获得了良好结果，并进一步在 100 L 生物反应器中对最终工程菌株 yGQ32 进行验证。
图｜工程菌株 yGQ32 细胞生长、葡萄糖和乙醇浓度及香茅醇产量变化
在采用分阶段碳源调控策略，即前期以葡萄糖促进菌体积累，后期切换为乙醇以诱导香茅醇合成发酵 96 小时后，香茅醇最终产量达到 10.556 g/L，创下酿酒酵母体系合成香茅醇报道以来的最高纪录。
该研究重的微生物合成体系相比传统植物提取方式在效率和可持续性方面具有明显优势。例如，225 英亩玫瑰才能提取不足 3 公斤香茅醇，而该研究实现了在更小空间内的高效产出。更重要的是，研究中采用的策略具备良好的通用性，已在 β-月桂烯等其他单萜的合成中展现出类似提升效果，为相关天然产物的绿色合成提供了参考思路。
综上所述，该研究通过过表达 MVA 途径基因增强前体供应、靶向过氧化物酶体以恢复细胞生长、促进 NADPH 再生以及通过转运蛋白工程降低香茅醇毒性等策略，系统地优化了原香茅醇高产菌株的香茅醇生物合成，使管式规模的香茅醇产量从 982.53 mg/L 提高到 3.38 g/L。在 100 L 生物反应器中，香茅醇产量最高达到 10.556 g/L。本研究建立了高效的香茅醇合成平台，并为其他单萜的生产提供了参考。
参考文献：
1.https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jafc.5c01411
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来源：生辉SciPhi
