Enhanced production of cis-13,16-docosadienoic acid in Yarrowia lipolytica via systematic metabolic engineering
本研究通过优化前体供应和延伸途径，系统地增强了解脂亚罗威酵母（*Yarrowia lipolytica*）中顺-13,16-二十二二烯酸（DDA）的产量，从而获得了一个实现创纪录高达 5.34 mg/L DDA 产量的菌株（YL-11）。
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在单细胞真菌微观世界的深处，大自然构建了精密的工厂，能够利用糖分等简单原料组装出复杂的分子。在这些分子中，包括脂肪酸，它们是油脂的基础，在人类健康和自然界中都发挥着至关重要的作用。其中一些被称为多不饱和脂肪酸的分子尤为珍贵，因为人体无法自行合成，我们必须通过饮食获取。一种名为顺式-13,16-二十二碳二烯酸（cis-13,16-docosadienoic acid）的二十二碳链分子，最近引起了科学家的关注。研究表明，这种特定的脂肪具有强大的特性，包括减缓某些癌细胞生长和对抗炎症的能力。直到现在，获取这种物质仍是一项艰巨的任务。它仅天然存在于一种生长缓慢且难以大规模栽培的稀有冬季植物的种子中。通过化学方法在实验室中制造它同样充满挑战，涉及复杂的步骤和高昂的成本。这使得研究人员开始寻找更好的生产方法，并将目光转向了具有积累油脂能力的强健微生物——解脂耶罗威亚酵母（Yarrowia lipolytica）。
挑战在于如何说服这种酵母去制造一种它本身并不天然产生的分子。这种酵母已经非常擅长制造一种叫做亚麻酸的前体，但它缺乏将该前体延伸成所需更长、更复杂链条的特定工具。为了解决这个问题，来自湖南农业大学及其他机构的研究团队将这种酵母视为一个生物车间，系统地添加并调整了完成这项工作所需的遗传工具。他们首先确保车间拥有充足的原材料供应。通过引入来自其他生物体的基因作为专门的转化器，他们成功增加了酵母细胞内亚麻酸的含量。这一步至关重要，因为原材料的匮乏往往会成为整个生产线的瓶颈。
在确保了原材料供应后，团队将注意力转向了组装流水线本身。将前体转化为最终产物需要一个两步走的延伸过程。研究人员测试了负责这种延伸过程的不同版本的酶，就像尝试不同的工具以观察哪一个最适合这项工作一样。他们发现一种特定的酶组合效果显著优于其他组合，成功地延伸了脂肪酸链。然而，这一过程的效率还不够高。酵母虽然能产生链条的中间步骤，但在完成最后一步时却显得力不从心。为了解决这个问题，科学家们尝试了一种称为“酶融合”的技术，即将两个必要的酶物理性地连接在一起，希望这能使材料在它们之间的转移更加顺畅。令人惊讶的是，这种方法并未达到预期效果。连接后的酶似乎互相干扰，最终产物的产量并未因此提高。这一结果告诉研究团队，仅仅将工具粘合在一起并不总能让它们工作得更好；有时，排列方式比连接本身更重要。
不屈不挠之下，研究人员转变了策略，将重点放在驱动这些酶的指令力量上。他们增加了负责延伸过程的基因拷贝数，并测试了不同的遗传开关（即启动子），以控制这些基因的开启强度。在一个反直觉的发现中，他们发现较弱的开关实际上比更强的开关能产生更好的结果。这表明，在活细胞的复杂环境中，某一领域的过度活跃有时会破坏整个系统的平衡。通过仔细调节基因的表达，他们创造出了一种能够比之前更有效地将前体转化为目标脂肪酸的酵母菌株。
团队还探索了另一个角度：防止酵母分解它已经制造出的物质。他们移除了一个负责细胞清理过程（该过程会自然降解脂肪酸）的基因，希望这能让珍贵的产物得以积累。虽然这一改变确实使酵母整体储存了更多的油脂，但也产生了灾难性的副作用：他们试图制造的那种特定脂肪酸完全消失了。清理系统的中断似乎严重扰乱了细胞的代谢，导致细胞无法再合成目标分子。这排除了那项策略的可行性，凸显了工程化改造生物体时所需的微妙平衡。
通过这一系列的尝试、错误与精炼，研究人员成功培育出了一种能在实验室环境下（无需复杂的工业发酵设备）生产出最高含量该珍贵脂肪酸的酵母菌株。在简单的摇瓶培养中，这种工程化酵母达到了每升5.34毫克的浓度，目标分子占细胞总脂肪的0.47%。这一成就表明，通过系统地理解并调整微生物的代谢途径，科学家可以引导其生产出此前难以获得的复杂高价值物质。这项工作为未来扩大生产规模奠定了基础，有望为这种在医学和营养领域具有重大前景的分子提供可持续且易于获取的来源。
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