近日，生物工程领域权威期刊《代谢工程》（Metabolic Engineering）在线发表了生物工程学院鲁华生物技术研究所魏东芝团队王风清课题组关于“利用酵母细胞工厂高产萜烯”的最新研究进展。
该工作系统研究了把酵母细胞动力室“线粒体”改造为萜烯合成车间的优势和问题，发现尽管线粒体具有前体和能量供应优势，但在萜烯合成过程中，其甲羟戊酸途径中有多个磷酸化产物对线粒体具有明显毒性。这些磷酸化的代谢产物在线粒体内可进一步转化为能量分子ATP的类似物，从而抑制与ATP相关的一些酶和功能，例如线粒体的氧化呼吸等，其中尤以甲羟戊酸-5-P和甲羟戊酸-5-PP的毒性最为明显。而通过常规代谢工程策略难以有效消除这种毒性压力，严重制约了线粒体合成优势的发挥。王风清课题组在研究中发现，在线粒体中只合成到甲羟戊酸可显著促进菌体的生长，而在细胞质中强化甲羟戊酸可达到类似效果，且可在很大程度上抵消甲羟戊酸途径中毒性代谢产物对线粒体的压力。因此，课题组成员提出了一种细胞质工程和线粒体工程相组合的双工程策略，成功减轻了线粒体区室化合成萜烯的代谢负担。更为重要的是，该策略对于萜烯的生产具有细胞质工程和线粒体工程相叠加的效应。基于此，该课题组成功创建了可以高产萜烯的平台型酵母细胞工厂——角鲨烯细胞工厂，产量达到了21g/L以上，是目前国际最高生产水平。
萜烯类化合物是已知最古老的和结构最多样化的天然产物之一，在医药、日化、材料、食品等领域应用十分广泛。角鲨烯是一种广泛分布于植物、真菌、昆虫、动物和人体中的链状三萜，是多种三萜和类固醇生物合成的关键前体。如今，它已被广泛应用于医药、保健品和个人护理等领域。值得关注的是，角鲨烯可以刺激和增强针对抗原的免疫反应，并已被用作疫苗添加剂以提高疫苗的功效，例如大流行性流感疫苗、疟疾疫苗和COVID-19疫苗等。线粒体是真核细胞的核心细胞器，是中心代谢和能量代谢的主要场所，线粒体工程是开发高效微生物细胞工程的一个重要手段。该研究为利用酵母线粒体工程进行角鲨烯等萜烯类化合物或其衍生物的高效合成提供了新思路，同时，为利用线粒体区室进行其他生物合成提供了新见解。该工作也是该课题组继去年利用过氧化物酶体成功创建高产角鲨烯平台（Metabolic Engineering, 2020, 57:151-161）之后的又一项突破。经过迭代改造，该角鲨烯细胞工厂的生产水平已超过25 g/L，目前正在推进与企业的合作开发中。
该论文的主要实验工作由博士生朱占涛和杜蒙蒙完成，指导教师为王风清副教授，论文第一作者为朱占涛，通讯作者为王风清。相关研究工作由生物工程学院鲁华生物技术研究所所长魏东芝教授指导，得到了鲁华生物技术研究所团队的大力支持，并得到了上海市自然科学基金项目和国家自然科学基金项目的资助。