编辑推荐：
本文聚焦酵母脂肪酸代谢工程，详细阐述了酵母脂肪酸（FA）和甘油三酯（TAG）代谢途径及关键酶，如乙酰辅酶 A 羧化酶（Acc1p）、脂肪酸合酶（FAS）等。同时介绍多种工程策略，以优化 FA 谱，生产高价值产品，为微生物油脂生产提供了全面的理论与实践指导。
酵母脂肪酸和甘油三酯代谢
发酵生产脂肪酸或甘油三酯通常依赖葡萄糖、木糖等廉价碳源。这些碳源被酵母细胞吸收后，经糖酵解或戊糖磷酸途径转化为丙酮酸。不同类型的酵母合成关键脂肪酸前体乙酰辅酶 A 的途径不同，产油酵母利用 ATP - 柠檬酸裂解酶途径，而传统酵母如酿酒酵母则依赖丙酮酸脱氢酶旁路。
脂肪酸合成始于乙酰辅酶 A 在乙酰辅酶 A 羧化酶（Acc1p）作用下转化为丙二酰辅酶 A，这是脂肪酸合成的关键限速步骤。脂肪酸合酶（FAS）利用丙二酰辅酶 A 和 NADPH，通过反复的两碳延伸反应生成长链酰基辅酶 A。在酵母中，脂肪酸合成所需的还原当量 NADPH 主要由戊糖磷酸途径产生，少量由苹果酸酶生成。
长链酰基辅酶 A 可进入去饱和、延长或酰基转移途径，形成甘油三酯（TAG）、磷脂（PL）等。酵母脂肪酸通常高度不饱和，多数酰基辅酶 A 首先在?9 位置去饱和，部分还会在?12 和?15 位置去饱和。此外，还有一小部分酰基辅酶 A 会延长为超长链脂肪酸（VLCFAs）用于鞘脂合成。
在 TAG 和 PL 的合成过程中，它们有共同的前体磷脂酸（PA）。PA 的合成起始于酰基辅酶 A 依赖的脂肪酸在甘油 - 3 - 磷酸或二羟基丙酮磷酸的 sn - 1 位置的掺入，随后另一个酰基链转移到 sn - 2 位置。PL 合成由 Cds1p 催化 PA 的胞苷酰转移生成 CDP - DAG，而 TAG 合成则是 PA 在磷酸酯酶的作用下脱磷酸形成二酰甘油（DAG），再与第三个酰基链酯化。
当营养物质匮乏时，酵母细胞会通过脂噬作用降解脂滴，释放脂肪酸。这些脂肪酸可通过 β - 氧化产生能量，或者重新激活后参与其他代谢过程。
工程改造脂肪酸代谢
商业生物技术生产需要高产量、高滴度和高体积生产力，野生型酵母往往无法满足这些要求，因此需要对酵母进行代谢工程改造。常见策略包括增强终端反应（pull engineering）、干扰竞争途径（block engineering）、提高前体可用性（push engineering）以及解除脂肪酸代谢的调控。
增强终端反应方面，可通过将脂肪酸分泌到培养基或储存为 TAG 来实现脂肪酸的过量生产。在酿酒酵母中，敲除酰基辅酶 A 合成酶 Faa1p 和 Faa4p 可促进脂肪酸分泌，同时表达外源或内源硫酯酶可进一步提高脂肪酸分泌量。此外，过表达二酰甘油酰基转移酶 DGA1 和主要的 TAG 脂肪酶 TGL3 也能增强脂肪酸分泌。对于 TAG 积累，过表达 Dga1 和 Acc1 可有效提高 TAG 含量。
干扰竞争途径旨在通过删除或下调消耗前体、中间产物或目标产物的竞争反应，将碳通量引导至目标途径。例如，抑制 β - 氧化途径可通过删除 POXI、PXA2/PXA1、FAA2/FAT1 等基因实现，但该策略对脂肪酸过量生产的效果存在差异。此外，破坏中性脂质储存、糖原合成、海藻糖合成以及干扰发酵产物的释放等，也能减少竞争途径，提高脂肪酸产量。
提高前体可用性策略主要是增加乙酰辅酶 A、丙二酰辅酶 A 和 NADPH 的供应。自然界中存在多种乙酰辅酶 A 合成途径，如酵母原生的 PDH 旁路、ATP - 柠檬酸裂解酶分流（ACL）等，将这些途径引入酵母可提高乙酰辅酶 A 的可用性，从而提升脂肪酸产量。丙二酰辅酶 A 合成是脂肪酸合成的关键限速步骤，通过过表达 ACC1 或突变其磷酸化位点可提高 Acc1p 活性，促进丙二酰辅酶 A 的合成。同时，通过工程改造氧化还原平衡，增强 NADPH 供应和优化 NADH 消耗，也能提高脂肪酸产量。
解除脂肪酸代谢的调控可通过减少酰基辅酶 A 池、操纵转录因子等方式实现。例如，在酿酒酵母中，调节 Ino2p - Ino4p 复合物、删除负调控因子 OPI1 或相关转录抑制因子等，可影响脂肪酸合成途径基因的表达，进而改变脂肪酸代谢。
脂肪酸、脂肪酸衍生物和甘油三酯产品
通过工程改造酵母脂肪酸组成，可生产多种高附加值产品，包括短链和中链脂肪酸（SFAs 和 MCFAs）、长链脂肪酸（LCFAs）、超长链多不饱和脂肪酸（VPUFAs）、脂肪酸醇、脂肪酸乙酯 / 甲酯、烷烃和烯烃、昆虫信息素以及用于食品应用的单细胞油等。
生产 SFAs 和 MCFAs 时，通常引入对其具有高选择性的异源硫酯酶或其他终端酶，以终止天然脂肪酸合成在特定链长。同时，通过对 FAS 结构进行改造、替换或共表达异源 FAS 系统等策略，可提高 SFAs 和 MCFAs 的产量。由于这些脂肪酸对细胞有毒性，还需对菌株进行改造以增强其抗性。
长链脂肪酸中的单不饱和和多不饱和脂肪酸对人体健康有益。例如，棕榈油酸（POA）具有多种健康功效，一些酵母天然含有较高比例的 POA，可作为生产该脂肪酸的宿主。此外，通过基因工程手段，如引入特定的去饱和酶、延长酶等，可提高其他酵母中 POA 的产量。
VPUFAs 如二十碳五烯酸（EPA）、二十二碳六烯酸（DHA）和花生四烯酸（ARA）具有重要的营养益处。产油酵母如解脂耶氏酵母（Y. lipolytica）等是生产 VPUFAs 的良好宿主，可通过引入有氧去饱和酶 - 延长酶途径或厌氧聚酮合酶（PKS）途径来实现 VPUFAs 的生产。
脂肪酸醇、烷烃、烯烃和脂肪酸乙酯 / 甲酯等可作为生物燃料、润滑剂等。脂肪酸醇可通过脂肪酸还原酶（FARs）将酰基辅酶 A 直接转化为脂肪酸醇，或通过羧酸还原酶和醇脱氢酶两步反应合成。烷烃生产则需要羧酸还原酶和醛脱甲酰化氧化酶等的参与，但目前酵母中烷烃生产受终端酶活性限制，产量较低。脂肪酸乙酯 / 甲酯通过蜡酯合酶催化酰基辅酶 A 与醇的酯化反应合成。
昆虫信息素可用于生态友好的害虫防治。多数昆虫信息素是脂肪酸衍生物，通过工程改造酵母，阻断脂肪酸和脂肪酸醇的降解途径，同时过表达相关的去饱和酶和 FAR，可生产昆虫信息素。
在食品应用方面，单细胞油可替代食用油。例如，利用产油酵母生产可可脂替代品（CBE），通过调节脂肪酸谱、优化工艺条件等手段，可使酵母生产的脂质更接近可可脂的特性。此外，通过表达特定的酰基转移酶，可改善酵母脂质在婴儿营养方面的应用潜力，使其更接近人乳脂肪的结构。
结论和未来展望
传统酵母和产油酵母是微生物油脂和脂肪酸衍生产品的优秀生产者，但目前仅有少数酵母油脂和脂肪酸衍生物产品实现商业化，主要原因是化石油衍生化学品和高产植物油成本较低，且生物技术生产要求较高。为降低成本，可采用木质纤维素水解物或废物流替代糖基原料，进行非无菌发酵，并优化下游加工过程。
工程改造微生物以获得优化的脂肪酸谱面临诸多挑战。例如，脂肪酸组成的广泛改变可能损害酵母生长和降低脂质含量，改变磷脂中的脂肪酸组成会干扰膜功能。合成 MCFAs 会产生细胞毒性，且脂肪酸转运和衍生化酶的活性在酵母中较低。未来需要不断探索新的脂肪酸修饰酶，以提高酵母中脂肪酸衍生物的合成效率，同时开发能够产生特定 TAG 物种的新型酰基转移酶，满足特定脂肪替代品的生产需求。尽管面临挑战，但酵母在脂质衍生产品合成方面展现出巨大潜力，随着对生物过程开发、脂肪酸代谢及其调控的深入理解，有望实现更多高价值脂肪酸产品和低成本脂肪替代品的商业化生产。
