近日，华南理工大学食品科学与工程学院娄文勇教授团队在研究中首次发现了异戊烯醇抑制酿酒酵母呼吸作用的现象。针对该现象会导致人工合成萜类化合物途径效率低的问题，团队进一步提出了解决策略，通过促使菌株的生长与人工合成途径耦合，开发了一种简便、可靠、高效的高通量筛选方法，应用于酶的定向进化，大幅增强了萜类化合物的合成效率。
该研究成功解决了酿酒酵母代谢与萜类化合物人工合成途径适配性差的问题，能够有效推动人工合成途径在酿酒酵母中的应用。该适配策略具有通用性，为高价值萜类化合物的合成提供了切实可行的技术支持。
据介绍，萜类化合物是自然界中最广泛分布的一类天然产物，广泛应用于食品、化妆品、医疗保健等领域。异戊烯醇利用（IU）途径是用于合成萜类化合物的人工路径。目前，大肠杆菌是这一途径的主要表达宿主，但由于菌种安全性较差，限制了其在工业中的广泛应用。
相比之下，酿酒酵母作为一种公认的安全菌株，是合成萜类化合物的理想平台。为了解决酿酒酵母在合成途径中效率低的问题，娄文勇教授团队首先通过转录组学手段，发现异戊烯醇底物抑制了酿酒酵母的呼吸作用。针对该现象，团队提出以人工途径代替天然途径的菌株策略，使得菌株的生长与合成萜类化合物的人工路径耦合，“迫使”细胞增强呼吸作用，以维持生长繁殖。
利用AtIPK和SmDAGK两个关键酶，该研究构建了依赖于IU途径的菌株策略，使得IU途径与细胞生长耦合，“迫使”细胞提高ATP合成，进而提升IU途径效率。对AtIPK和SmDAGK两个酶共46个位点随机饱和突变后，团队成功筛选出效率提高153%的有效突变体SmDAGK-S47A、L124A，以及AtIPK-S270P、A272R。
借助该策略，团队合成了三种常见萜类化合物——柠檬烯、角鲨烯和β-胡萝卜素。与对照组相比，其合成效率分别提高了695倍、850倍和18倍，充分表现出该类菌株在萜类化合物合成方面的巨大应用潜力。
相关成果以“Yeast metabolism adaptation for efficient terpenoids synthesis via isopentenol utilization”为题，在Nature Communications上在线发表。成果第一署名单位为华南理工大学，第一作者为食品科学与工程学院博士生李广健，通讯作者为学院娄文勇教授、曹宇飞副教授。
相关成果链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54298-8
