《Critical Reviews in Biotechnology》：Microbial lipids for a sustainable future: the growing potential of synthetic microbial engineering for consumer oils
编辑推荐：
本文综述了合成生物学与微生物工程如何革新消费品油及脂质的可持续生产。通过总结近期在酵母合成基因组学与自动化生物铸造厂等领域的关键进展，文章系统阐述了利用微生物转化废料流、提升单细胞油(SCOs)产量以及优化发酵策略的途径，旨在解决传统油料作物带来的环境挑战（如毁林、富营养化），并展望了迈向实用微生物生物制造经济的转型前景。专业术语如脂肪酸(FAs)、单酰甘油(MAG)、三酰甘油(TAGs)、游离脂肪酸(FFAs)、适应性实验室进化(ALE)均有注明。
消费品油与脂质，从食品、保健品到化妆品、燃料，构成了庞大产业的基石。然而，随着需求激增，对资源密集型作物的依赖已不可持续，加剧了森林砍伐、栖息地破坏等环境问题。合成生物学的崛起，为我们解锁微生物作为可持续脂质来源的潜力提供了新机遇。本文旨在探讨实现消费品油可持续未来的新路径。
替代油：利用生物技术方法生产微生物脂质
微生物衍生的脂质，即单细胞油(SCOs)，是脂肪酸(FA)和油脂的优质来源。相较于传统作物，SCOs具有节水、节地、生产周期短等可持续性优势。它们主要由三酰甘油(TAGs)构成，并可能包含肉豆蔻酸、硬脂酸、棕榈酸等游离脂肪酸(FFAs)。例如，高价值的微生物脂质包括Omega-3脂肪酸二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)。诸多微生物如产油酵母Rhodotorula glutinis、Rhodosporidium toruloides、Yarrowia lipolytica，以及丝状真菌Mortierella isabellina、微藻Chlorella protothecoides和细菌Rhodococcus opacus，都展现出高产脂质的潜力。
微生物发酵与价值化：将废物流转化为高价值产品
微生物发酵主要分为液体发酵(SmF)和固态发酵(SSF)。SmF在可控生物反应器中可实现高脂质产量（例如R. toruloides可达90 g L?1），但放大成本高。SSF则在湿度低的固体废料上进行，能降低水和能源需求，例如利用玉米秸秆固体培养M. circinelloides可提高总脂质和γ-亚麻酸(GLA)产量。
将废物流（如甲醇、甘油、棕榈油厂废水(POME)、咖啡渣）转化为高价值产品是实现可持续性的关键。例如，工程化Y. lipolytica能将废弃食用油高效转化为Omega-3脂肪酸。研究表明，微生物联合培养（如R. toruloides与微藻A. falcatus共培养处理POME）能显著提升污染物去除率和脂质生产率。
微生物油脂与合成生物学革命
合成生物学遵循设计-构建-测试-学习(DBTL)的工程化循环，旨在通过标准化生物部件和自动化平台，设计、构建和测试新型生物系统。适应性实验室进化(ALE)是其中一项强大工具，它通过在选择性压力下连续传代微生物种群，使其产生有利的遗传适应，可用于克服与高产脂肪酸相关的适应性缺陷。
在细菌方面，工程化E. coli通过CRISPRi编辑等技术，实现了超过35 g L?1的游离脂肪酸产量。丝状真菌如Mortierella alpina通过固态发酵生产富含花生四烯酸(ARA)的脂质。微藻系统则面临光合作用效率优化、培养系统选择（开放池与光生物反应器）及基因工具开发等挑战，但通过基因工程（如在Chlamydomonas reinhardtii中过表达GAPDH）或调控生长条件（如氮饥饿），仍可提升脂质产量。
酵母合成生物学在消费品油生产中的新途径
酵母是改进油脂生产的理想候选者。解脂耶氏酵母(Y. lipolytica)能积累高达细胞干重73%的TAGs，并被广泛用于研究游离脂肪酸(FFA)的分泌。通过代谢工程，如过表达ACC1、FAS1、FAS2等关键基因，可显著提高TAG浓度。例如，工程化S. cerevisiae通过将碳通量从乙醇转向FFA生产，并结合适应性实验室进化(ALE)恢复生长，实现了33.4 g L?1的FFA产量。
提高产量和经济可行性的策略：酵母中的脂质外排
细胞内脂质积累常面临产物毒性和提取成本高的挑战。因此，促进脂质外排是提高经济可行性的关键策略。在S. cerevisiae中，敲除FAA1和FAA4基因可促进FFA分泌，而表达人源脂肪酸结合蛋白（如脂质运载蛋白和清蛋白）能进一步增强这一过程。在Y. lipolytica中，敲除FAA1和MFE1可实现棕榈酸和硬脂酸的外排，结合其他工程策略，FFA外排量可达细胞干重的90%。最新的研究甚至通过工程化R. toruloides分泌β-1,3-葡甘露聚糖酶来部分降解细胞壁，从而在不进行高强度处理的情况下回收高达93%的总细胞脂质。
用于快速菌株开发的生物铸造厂
生物铸造厂整合了高通量实验室设备和软件，能够以标准化工作流程大规模进行生物构建体的设计、构建和测试。自动化减少了人为干预，提高了可重复性和通量。已有研究利用基于铸造厂的迭代DBTL流程，对产油酵母Cutaneotrichosporon oleaginosus进行工程改造，使其脂质含量达到56%（重量比），总油产量提高了2.5倍。云支持的生物铸造平台（如Synthace Antha）将实验设计软件与机器人实验室设备连接，加速了脂质途径工程的DBTL周期。全球生物铸造联盟(GBA)等组织正推动国际合作与标准制定。
迈向新信息时代：人工智能、机器学习与生物信息工程
人工智能(AI)和机器学习的整合，有望突破传统实验的规模限制。机器学习模型可以分析复杂数据，预测和优化微生物的脂质生产。例如，一个针对Y. lipolytica发酵的模型识别出碳氮比和pH是调控脂肪酸(FA)产量的关键变量。将AI驱动的分析与自动化生物铸造平台相结合，可以实现高通量菌株设计和测试，显著加速微生物脂质工程的研发进程。未来，合成生物学、AI和芯片技术的融合可能催生出能够进行生物计算和高级生物信息工程的混合生物电子系统。
用于新型产脂微生物的合成基因组
随着合成基因组学的发展，设计和构建大型合成DNA成为可能。国际合成酵母基因组计划(Sc2.0)成功构建了第一个完全合成的真核生物基因组——酿酒酵母(S. cerevisiae)的合成版本。该基因组的一个关键特征是SCRaMbLE（通过loxP介导的进化进行合成染色体重排和修饰）系统。该系统可在诱导下产生巨大的基因型多样性，已成功用于提升酵母菌株的代谢物（如番茄红素）产量，展示了其在优化产脂菌株方面的潜力。
设计新染色体：为新型细胞功能构思“大DNA”
新染色体可以从头设计和构建，并定制端粒、复制起点等元件。它们为代谢途径工程提供了一个独立的遗传空间，可以将整个油脂生物合成途径与宿主基因组的内源调控解耦。例如，通过构建包含不同酵母菌株独特基因序列的“泛基因组”新染色体，可以赋予宿主发酵新糖类等能力。这种代谢途径置换方法为理解和工程化核心细胞过程（如脂质生产）提供了框架，未来可用于创建专门引导代谢流向合成新型脂肪酸产物的正交“油脂主题”新染色体。
展望食品未来：脂质生产的新兴趋势
面对人口增长和生活水平提高带来的油脂需求上升，合成生物学驱动的精准发酵技术正被用于生产与动物脂肪分子结构高度匹配的可食用脂肪。多家公司（如Melt & Marble, Nourish Ingredients, Zero Acre）正在利用酵母等细胞工厂生产培养油、动物脂肪和定制油脂。近期专利活动集中在利用更廉价的原料、提高碳利用率和原料效率，以及为高价值市场定制脂肪功能。例如，通过工程化脂质调控因子、安装磷酸酮醇酶/磷酸转乙酰酶模块以引导碳流向乙酰辅酶A和TAG合成，以及修饰N-糖基化/分泌途径以提高产量和纯度。尽管前景广阔，但这项技术的成功仍取决于监管框架、商业化障碍以及消费者对“转基因”食品的接受度。
合成生物学在工程化微生物宿主方面的应用，有望从根本上改变消费品脂质的农业生产模式。通过利用合成基因组、新染色体、自动化AI控制的生物铸造厂等新兴技术，我们能够加速开发高效、可持续的微生物脂质生产方式。尽管面临监管、商业化和社会认可等挑战，但这一领域的持续研究与开发，对于应对全球粮食安全和可持续发展问题具有重要意义。
