《Current Opinion in Biotechnology》：Engineering metabolism of
Saccharomyces cerevisiae for production of chemicals
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可持续化学品生产中利用工程化酿酒酵母的创新策略研究。摘要：本文系统综述了通过代谢流优化、化学耐受性增强及替代原料利用三大范式推动酿酒酵母作为生物制造平台的发展。研究展示了酵母在萜烯类（如法尼烯）、丁二酸等化学品生产中的突破，探讨了红ox平衡调控和木质纤维素水解等关键技术。提出AI驱动设计工具、CRISPR基因编辑和生物化学集成工艺作为下一代解决方案。
余毅|傅晓英|胡金苗|詹斯·尼尔森|史书波
北京化工大学生命科学技术学院，软物质科学与工程高级创新中心，中国北京
从可再生、非食用生物质中可持续生产化学品对于应对气候变化和化石资源依赖导致的资源枯竭等环境挑战至关重要。酿酒酵母已成为工业生物化学生产的多功能微生物平台，在核心碳代谢、脂质代谢和萜类化合物代谢方面取得了工程突破。本文综述了三种变革性范式：（1）优化代谢流并重新定向酵母代谢途径以合成化学品（例如法尼烯）；（2）提高酵母的耐受性，以在发酵压力下提高生物质和生化产物的产量（例如琥珀酸）；（3）通过工程改造底物吸收能力来扩大原料的灵活性（例如乙醇）。这些例子为生产可持续化学品铺平了道路。我们还讨论了未来的挑战，并提出了基于人工智能（AI）的设计工具、CRISPR基因编辑技术以及生物-化学集成工艺作为推动酵母介导的循环经济的下一代解决方案。
引言
得益于代谢工程和合成生物学的进步，已经开发出了能够生产多种化学品的微生物细胞工厂[1]。这是通过基因组编辑、酶工程、细胞器工程和适应性实验室进化（ALE）等策略实现的[2]。在微生物宿主中，大肠杆菌和酿酒酵母因其代谢途径明确以及强大的遗传/基因组工程工具箱而被广泛使用[1]。尽管合成生物学的最新进展扩展了宿主的范围，但新兴的酿酒酵母在工业生物技术中仍然不可或缺。其明确的遗传背景、丰富的遗传工具、在高密度发酵中的强健性能以及对酸性条件的耐受性使其成为生产多种化学品的理想选择[2]。代谢工程师利用酿酒酵母来合成燃料化学品[4, 5, 6]、食品化学品[7, 8]以及通用化学品[5, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18]。提高化学耐受性和细胞适应性的策略进一步增强了其应用价值[18, 19, 20]。随着全球可持续发展目标的日益重视，酿酒酵母正在被重新设计，以利用非传统原料，如木质纤维素水解物[21, 22, 23, 24]、工业废弃物[23, 24]和一碳化合物[25, 26]。
因此，本文重点介绍了利用酵母代谢进行化学合成并提高化学耐受性和细胞适应性的案例。通过这些案例，本文展示了前沿的合成生物学能力，并展示了在酿酒酵母中通过代谢途径改造、细胞适应性优化和替代原料利用实现的可持续化学品生产的工业验证（图1），从而将传统发酵技术与前沿合成生物学相结合。
部分摘录
核心碳代谢
核心碳代谢包括糖酵解、三羧酸（TCA）循环和磷酸戊糖（PP）途径等关键途径，这些途径对能量生产和前体生成至关重要。修改这些途径可以作为生产各种化学品的平台（图2）。
糖酵解途径中的几种中间产物可以作为化学合成的重要前体。例如，刘等人利用组合代谢技术...
化学耐受性和细胞适应性
在工业发酵过程中，酿酒酵母细胞经常面临多种压力，包括代谢物浓度升高、pH值波动和氧化还原失衡[34]。这些不利因素会阻碍细胞生长和化学品生产。因此，开发出具有强健性和耐压性的菌株对于推进化学品生产至关重要[35]。
可以通过基因工程策略来调节细胞内的氧化还原平衡并提高细胞适应性（图3）。
替代原料
使用低成本原料可以提高化学生物生产的经济效益。通过合成生物学技术，工程改造的酿酒酵母可以利用多种底物（图4），其中木质纤维素水解物、工业废弃物和一碳化合物受到了特别关注。木质纤维素水解物由纤维素、半纤维素和木质素组成[41]。酿酒酵母可以通过分泌酶（如纤维素酶）或将这些酶附着在底物上来将其转化为有价值的化学品
结论
在酿酒酵母的工程改造方面取得了显著进展，使其能够合成多种化学品，提高细胞适应性，并促进低成本底物的利用。尽管取得了这些成就，但代谢复杂性往往会在生产力和生存能力之间产生权衡。生产力的提高有时会降低酿酒酵母的生物质产量[15, 30]，这可能是由于碳流分配的原因。
对于化学品生产来说，关键挑战包括...
CRediT作者贡献声明
余毅：概念构思、初稿撰写、审稿与编辑、可视化。 傅晓英：概念构思、初稿撰写、审稿与编辑、可视化。 胡金苗：撰写、审稿与编辑。 詹斯·尼尔森：概念构思、初稿撰写、审稿与编辑、资金筹集。 史书波：概念构思、监督、初稿撰写、审稿与编辑、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金[资助编号22261142667]和第13批“113药学人才专项计划”的支持。
