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大连化学物理研究所团队实现甲醇生物合成脂肪酸

2022年8月1日

7月24日,中国科学院大连化学物理研究所的周雍进研究员团队在甲醇生物转化研究方向取得新突破。研究团队以甲醇酵母为细胞催化剂,通过结合适应性进化和理性代谢工程改造,实现了甲醇生物转化高效合成脂肪酸衍生物,为甲醇生物转化以及二氧化碳高值化转化应用提供了新思路。

甲醇是理想的可再生原料,其能量密度较高、来源广泛。脂肪酸衍生物是一类含氧量低、能量密度高、富含碳氢元素的天然可再生资源,是液体生物燃料、油脂化工品、食品和材料等生产的基础原料。传统动植物油脂产量有限,难以满足日益增长的需求,亟待发展油脂生产新技术。甲醇生物转化可建立不依赖于耕地的脂肪酸供给路线,但是由于微生物细胞中甲醇代谢复杂,难以实现其高效定向转化。

周雍进介绍,研究团队此前在改造以汉逊酵母合成脂肪酸过程中,发现工程菌株在甲醇中无法生长。随后,研究团队对菌株进行实验室适应性驯化,获得的菌株能够在甲醇中正常生长且可高效生产脂肪酸。多组学技术鉴定发现,双敲除菌株的两个关键基因LPL1和IZH3,可以显著缓解甲醇代谢压力。脂质组学分析发现,产脂肪酸菌株磷脂的合成受阻,影响过氧化物酶体膜完整性,导致关键有毒中间体甲醛泄漏,引起细胞坏死。基于上述发现,研究团队在转录组学指导下,重排了细胞内全局代谢,强化了前体乙酰辅酶A和辅因子NADPH的供给,使汉逊酵母以甲醇为唯一碳源合成了脂肪酸,产量为15.9克/升。

研究团队在毕赤酵母中也发现了类似的现象。毕赤酵母在甲醇代谢过程中,甲醛的积累同样影响甲醇生物转化效率。他们通过优化细胞中心代谢与辅因子再生过程、强化甲醇代谢路径,大幅减少了甲醛积累,提高了脂肪酸产量,达到23.4克/升。研究团队还采用代谢切换的策略,快速将脂肪酸生产菌株改造为脂肪醇细胞工厂,简化了菌株构建过程,实现脂肪醇产量达2.0g克/升。

上述研究工作已发表于《自然-代谢》以及《美国科学院院刊》。韩国庆熙大学生物化工学者Eun-Yeol Lee教授认为,该项研究强化了甲醇耐受性,实现了甲醇高效转化合成脂肪酸,将为未来油脂化学品和生物燃料供应提供潜在供应路线。中国工程院院士、北京化工大学校长谭天伟指出,该研究将甲醇转化成脂肪酸衍生物,是推动二氧化碳转化利用的“桥梁与纽带”。中国科学院院士、天津大学副校长元英进指出,该研究将生物炼制底物谱从传统的糖类原料拓展到可再生原料甲醇,是合成生物学使能技术的成功应用。

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