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为解决神经酸传统生产方法效率低、成本高的问题，研究人员通过细胞器区室化和动态启动子协调等合成生物学策略，改造解脂耶氏酵母。该研究成功构建了高效合成神经酸的工程菌株，在5-L生物反应器中产量达6.55 g/L。这为神经酸的微生物绿色制造和长链脂肪酸合成提供了新策略。
在人类神经发育与功能维护的宏大蓝图中，神经酸扮演着一种“高级润滑油”般的角色。这种学名为神经酸、俗称“脑黄金”的ω-9超长链单不饱和脂肪酸，是神经细胞膜的重要成分，尤其对神经纤维的修复和神经细胞再生具有关键作用。然而，长期以来，获取这种珍贵分子的道路并不平坦。天然植物提取，如从“中华神经酸树”美称的蒜头果中获取，不仅生长周期漫长、产量有限，还受制于地理和气候条件。化学合成路径虽然存在，但产物中往往混有难以分离的副产物和反式异构体，纯度和安全性难以保障。面对其在医药、保健品和功能食品领域日益增长的市场需求，科学家们将目光投向了合成生物学，试图在微生物这座“细胞工厂”中，构建出一条能够持续、高效、绿色合成神经酸的“生产流水线”。
为了实现这一目标，研究人员以解脂耶氏酵母为底盘，运用代谢工程策略，对神经酸合成路径进行系统性改造。该研究主要采用了以下几个关键技术方法：一是基因编辑技术，如利用CRISPR-Cas9系统对宿主基因组进行基因敲除（如β-氧化相关基因pex10、tgl4、mfe1）和整合，以阻断副产物积累。二是半理性蛋白质工程，通过分子对接和丙氨酸扫描，对关键的β-酮脂酰-CoA合成酶进行定点突变，优化其底物特异性。三是亚细胞工程，通过引入内质网、脂滴和过氧化物酶体特异性信号肽，对多酶复合体进行精确的细胞器区室化定位，以优化代谢通量。四是动态调控策略，利用组成型（pGPD1）和脂质积累期诱导型（pLDP1）启动子，协调关键酶的表达时序。五是辅因子供应增强策略，通过引入非羧化途径合成丙二酰-CoA以及过表达NADPH再生相关基因，强化能量和前体供应。
结果
1. 神经酸生物合成途径的构建
研究人员首先评估了来自不同物种的β-酮脂酰-CoA合成酶基因。在敲除了脂肪酸降解相关基因pex10、tgl4的底盘菌基础上，筛选发现LaKCS基因可使神经酸含量达到1.2%。通过组合表达具有不同链长底物偏好的AtKCS、CraKCS和LaKCS，神经酸含量提升至3.65%。进一步敲除过氧化物酶体β-氧化途径的关键基因mfe1后，神经酸含量增至4.16%（占总脂肪酸百分比）。
2. 关键酶CraKCS和LaKCS的半理性工程
为提高关键中间体C20:1 Δ11-CoA和C22:1 Δ13-CoA的利用效率，研究人员对CraKCS和LaKCS进行了半理性设计。通过分子建模和丙氨酸扫描，筛选出影响底物识别的关键残基。突变体LaKCSE130A将神经酸含量提升至5.17%。在组合突变CraKCSE294A后，神经酸含量进一步增至6.10%。
3. 优化前体脂肪酸供应模块
为提供充足的前体，研究者敲除了脂肪酸脱饱和酶基因fad2，增加了油酸含量。在此基础上引入来自高山被孢霉的延长酶基因MaELO2，促进了棕榈酸向更长链脂肪酸的转化，使菌株NA27的C20:1 Δ11含量达到20.1%，神经酸含量增至6.47%。
4. 氧-铁协同增强去饱和酶活性
为解决饱和二十四烷酸积累的问题，引入了高山被孢霉来源的Δ15去饱和酶基因Maω9，神经酸含量提升至13.20%。为强化去饱和反应所需的氧气和Fe2+，共表达了透明颤菌血红蛋白基因VHb和高亲和力铁转运蛋白基因Ftr1，构建的菌株NA31神经酸含量达14.16%。
5. 通过亚细胞工程和动态启动子协调高效合成神经酸
将关键延长酶靶向不同细胞器，发现内质网定位效果最佳，菌株NA33的神经酸含量达15.88%。通过敲除opi1和过表达INO2扩展内质网膜，进一步增加了神经酸的产量。在时序调控方面，使用组成型启动子pGPD1动态调控LaKCS表达，获得了17.13%的最高神经酸含量。
6. 增强丙二酰-CoA和NADPH供应
引入非羧化丙二酰-CoA合成途径（MCR–C–BauA）增强了前体供应，神经酸含量升至19.57%。通过过表达磷酸戊糖途径相关基因强化NADPH再生，发现过表达GND1和IDP2的组合效果最佳，所得菌株NA51在摇瓶培养中神经酸产量达451.80 mg/L，含量为22.33%。
7. 分批补料发酵
在5-L生物反应器中进行分批补料发酵优化，在碳氮比（C/N）为63的条件下，工程菌株NA51的最高神经酸产量在140小时达到6.55 g/L，占总脂肪酸的29.81%，展示了其在规模化生产中的潜力。
本研究通过整合酶工程、前体供应增强、细胞器区室化、动态调控和辅因子平衡等代谢工程策略，在解脂耶氏酵母中成功构建了一条高效、可控的神经酸微生物合成路径。该研究不仅解决了传统生产方法效率低、选择性差的瓶颈，也通过系统性优化，实现了神经酸在微生物平台上的高效积累，最终产量达到6.55 g/L。其重要意义在于，它提供了一套多维度协同优化的代谢工程范式，包括对关键酶的特异性改造、亚细胞代谢空间的重新组织、反应所需辅因子的强化以及基因表达的时序协调。这不仅是将神经酸的合成从植物和化学反应釜“搬迁”到微生物工厂的一次成功实践，更是为其他具有复杂合成路径的超长链脂肪酸及其衍生物提供了可借鉴的系统性工程策略。这项发表在《Synthetic and Systems Biotechnology》上的工作，展示了合成生物学在创造可持续、高效的绿色生物制造解决方案方面的强大潜力。
