冷击温敏调控助力酿酒酵母生物合成天然维生素E

维生素E是维持机体正常代谢和机能的必需维生素，包含α、β、γ、δ-生育酚（Tocopherol）和α、β、γ、δ-生育三烯酚（Tocoterienol）共8种化合物。市面上主要的维生素E产品是化学合成的消旋DL-α-生育酚，以及从大豆油脱臭馏出物中提取的天然α-生育酚，前者主要用于动物营养，后者用于膳食补充剂。

相比生育酚，生育三烯酚具有更强的抗氧化特性，并且特有降低胆固醇、神经保护、抗癌和抗炎症等生理功能，具备更广阔的应用前景。目前国外已有相应膳食补充剂上市（图1），主要功效成分为棕榈油中提取的生育三烯酚。尽管DL-α-生育酚的化学合成非常成熟，且成本低廉，但生育三烯酚尚未实现商业化的化学合成，并且在植物分布中的相对稀少，限制了其进一步的开发和应用。

图1. 国外的天然生育三烯酚膳食补充剂产品

近日，浙江大学于洪巍、叶丽丹课题组在Nature Communications 上发表研究论文，首次利用酿酒酵母工程菌株实现α-生育三烯酚的发酵法生产。

图2. 研究思路示意图

在该研究中，作者通过从光合生物中挖掘基因，筛选得到合成生育三烯酚的5个关键基因元件（图3），通过密码子优化和蛋白前导链的精准切除，在酿酒酵母中实现异源蛋白的功能性表达，并结合酿酒酵母内源的莽草酸途径和MVA途径，首次在非光合生物中实现终产物α-生育三烯酚的异源合成。进一步通过确定并解除合成途径的关键限速步骤、上游途径的综合优化、反馈抑制的解除、代谢平衡的重构等一系列工程菌株的系统改造，在摇瓶培养中总生育三烯酚产量达到7.6 mg/g 细胞干重。

图3. 酿酒酵母中生育三烯酚合成途径的构建

为了实现生育三烯酚的高密度发酵，作者基于课题组前期开发的Gal4温敏蛋白Gal4M9，开发了冷击启动的温度调控策略（图4）。利用温敏蛋白Gal4M9驱动野生型Gal4的表达，引入层级调控，以此弥补Gal4M9的活性损失，并可以根据途径需求定制转录激活蛋白Gal4的表达强度；采用该新设计的温控策略，只需若干个小时的冷击，即可触发打开产物合成的开关，实现细胞生长与产物合成的两阶段发酵，避免外源蛋白表达和产物积累对细胞生长的影响，从而大幅降低了工业发酵过程中的能耗成本，同时避免了长期低温对菌株生理代谢变缓的副作用。最终，在5 L发酵罐中总生育三烯酚产量达到320 mg/L。

图4. 冷击调控策略实现生物量及目标产物的分阶段积累

总体而言，该研究综合了新基因元件挖掘、多基因生物合成途径组装、蛋白质工程、基因表达控制等手段，最终实现天然维生素E的异源合成，在采用合成生物学方法生产高附加值天然产物上又迈进了一步。

这项工作在国家重点研发计划（基金号：2018YFA0901800），浙江省自然科学基金（基金号：LY18B060001，LZ20B060002）和国家自然科学基金（基金号：21776244）的经费支持下开展。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Fermentative production of Vitamin E tocotrienols in Saccharomyces cerevisiae under cold-shock-triggered temperature control

Bin Shen, Pingping Zhou, Xue Jiao, Zhen Yao, Lidan Ye, Hongwei Yu.

Nat. Commun., 2020, 11, 5155, DOI: 10.1038/s41467-020-18958-9

导师介绍

于洪巍

https://www.x-mol.com/university/faculty/21714

叶丽丹

https://www.x-mol.com/university/faculty/21718