代谢工程改造解脂耶氏酵母实现葡萄糖从头高效合成前列腺素F2α

《Communications Biology》：Improved de novo production of prostaglandin F2α from glucose with engineered Yarrowia lipolytica strains

本研究针对前列腺素F2α（PGF2α2α的微生物平台。研究通过筛选高效Δ-8脱饱和酶、构建融合酶、细胞器工程（内质网与脂滴靶向）、乙酰辅酶A供应优化及发酵条件调控，使PGF2α产量提升至32.63 μg/L，为前列腺素的绿色生物制造提供了新策略。

　　

前列腺素F_2α（PGF_2α）作为一种重要的脂质介质，在调节人体生理功能（如平滑肌收缩、炎症反应）中发挥关键作用，其衍生物卡前列素和拉坦前列素广泛应用于临床治疗产后出血和青光眼。然而，目前PGF_2α的工业生产主要依赖复杂的多步化学合成法，存在反应条件苛刻、环境污染严重及成本高昂等问题。尽管已有研究尝试在微生物或植物中生物合成PGF_2α，但产量低、底物依赖性强（如需外源添加花生四烯酸）等问题限制了其规模化应用。因此，开发一种高效、可持续的微生物合成平台迫在眉睫。

近期发表于《Communications Biology》的研究中，何国威等研究者利用产油酵母解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）作为底盘细胞，成功构建了从葡萄糖从头合成PGF_2α的代谢途径。研究团队通过系统性工程策略，逐步优化了前体供应、酶催化效率及细胞微环境，最终将PGF_2α产量提升至32.63 μg/L，为前列腺素的绿色生物制造提供了新范式。

关键技术方法

研究首先通过无细胞催化系统验证前列腺素H合酶（PGHS）与前列腺素F合酶（PGFS）的体外活性；进而利用基因工程在酵母中构建花生四烯酸（ARA）合成模块（含Δ-9延伸酶、Δ-8脱饱和酶等）与PGF_2α合成模块（PGHS-PGFS）。通过酶融合策略（GGGGS linker）增强底物通道效率，并采用细胞器工程将合成途径靶向脂滴与内质网。辅酶工程中过表达肉碱O-乙酰转移酶（Cat2）以增强乙酰辅酶A供应，最后通过培养基优化（调节C/N比、添加ALA与OA）进一步提升产量。

研究结果

1. 无细胞与全细胞催化验证途径可行性

通过酵母裂解液构建的体外催化系统，在添加ARA、血红素和色氨酸后成功合成0.53 μg/L PGF_2α（图1）。全细胞催化实验中，表达Graciaria vermiculophylla来源PGHS（GvPGHS）的工程菌株PG02在100 μM ARA条件下产量达23.80 μg/L，较原始菌株提升85倍（图2）。

2. 从头合成途径构建与限速步骤突破

在酵母中引入ARA合成模块（Δ-9延伸酶、Δ-8脱饱和酶等）与PGF_2α合成模块后，工程菌PG04实现290.49 ng/L的PGF_2α从头合成（图3）。筛选发现Isochrysis galbana来源的Δ-8脱饱和酶催化效率最高，而酶融合策略（Δ-9E-GGGGS-Δ-8D）使产量提升94.1%（图4A）。

3. 细胞器工程优化代谢空间

激光共聚焦显微镜证实GvPGHS定位于线粒体，PGFS分布于胞质（图4B-D）。通过内质网（KDEL信号）和脂滴（OLE信号）靶向策略，将合成模块定位至脂滴的菌株PG11产量提升至420.90 ng/L，双靶向菌株PG13进一步达958.78 ng/L（图4A,F）。

4. 辅酶工程与发酵优化协同增效

过表达Cat2显著增强乙酰辅酶A供应，使PG16菌株产量达1955.05 ng/L，而NADPH过度供应反而抑制产量（图5）。最终通过优化培养基（高C/N比、添加ALA与OA），在YAO培养基中产量突破32.63 μg/L（图6）。

结论与意义

本研究首次在解脂耶氏酵母中实现了从葡萄糖从头合成PGF_2α，产量达当前报道最高水平。通过融合酶设计、细胞器空间重构及辅酶供应调控，系统解决了前列腺素合成中的底物竞争、辅酶失衡及酶定位紊乱等瓶颈。该工作不仅为PGF_2α的绿色生产提供了可行平台，其代谢工程策略（如脂滴靶向、Cat2过表达）对其他高值脂类化合物的微生物合成具有普适性参考价值。