利用低碳微生物制造重编程酵母代谢，生产定制富含淀粉微颗粒

《Nature Communications》：Reprogramming yeast metabolism for customized starch-rich micro-grain through low-carbon microbial manufacturing

为解决淀粉供应难题，研究人员重编程酵母代谢，实现高时空淀粉生产，推动低碳营养制造。

　　淀粉作为重要的食物成分和工业原料，在人们的生活中扮演着不可或缺的角色。全球每年对淀粉的需求量超过 1.2 亿吨，且随着人口增长、消费升级以及工业应用需求的增加，这一数字还在以 4 - 5% 的复合年增长率持续攀升。然而，传统的农业种植方式在满足淀粉需求方面却面临着重重挑战。有限的耕地资源、自然光合作用固碳效率的限制，以及气候变化带来的二氧化碳排放和全球变暖等问题，使得传统农业生产的淀粉难以跟上需求增长的步伐。

为了突破这些困境，中国科学院天津工业生物技术研究所的研究人员展开了一项极具意义的研究。他们致力于通过低碳微生物制造的方式，重新编程酵母的代谢过程，以实现富含淀粉微颗粒的高效生产。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为解决淀粉供应难题提供了新的思路和方向。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们通过基因工程技术对酵母进行改造，构建了多种基因工程菌株。利用转录组测序（RNAseq）筛选强启动子，为后续基因表达调控奠定基础。同时，借助代谢组学和转录组学分析手段，深入探究酵母细胞代谢和基因表达的变化机制，从而全面了解淀粉合成过程中的关键节点和调控因素 。

研究结果

1. 导入异源淀粉生物合成途径提高淀粉产量：解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）野生型菌株以乙酸盐为唯一碳源时，淀粉产量很低。研究人员通过 RNAseq 指导筛选和验证，引入由葡萄糖 - 1 - 磷酸腺苷酰转移酶和淀粉合酶组成的异源淀粉生物合成途径（SBP），并由强 GPD 和 TEF 启动子驱动。结果显示，不同来源 SBP 的工程菌株积累淀粉的水平显著提高，其中 ST587 菌株（含有来自大肠杆菌的一份 SBP 和来自球形 Cereibacter sphaeroides 的三份 SBP）表现出最高的淀粉产量，达到 379.85 mg/L/OD₆₀₀ ，且在商业和电合成乙酸盐中均能良好生长和生产淀粉，证明了利用合成解脂耶氏酵母菌株进行低碳制造淀粉的可行性。
2. 调节合成代谢和分解代谢促进淀粉积累：淀粉在碳源充足时合成积累，营养缺乏时被分解。研究人员通过过表达 / 敲除参与糖异生和乙醛酸循环的基因、抑制 / 敲除竞争性消耗葡萄糖 - 6 - 磷酸（G6P）和尿苷二磷酸葡萄糖（UDP - 葡萄糖）的基因，以及敲除淀粉降解基因等方式，扩大代谢通量至葡萄糖 - 1 - 磷酸（G1P）并减少淀粉降解。结果表明，组合调控提高了淀粉含量，如 ST594 菌株相比 ST587 菌株淀粉含量提高了 55%。此外，敲除糖原脱支酶和海藻糖 6 - 磷酸合酶 / 磷酸酶编码基因后得到的 ST1266 菌株，淀粉产量可达 593.99 mg/L/OD₆₀₀ 。而尝试操纵能量供应系统对提高淀粉产量并无明显效果，说明酵母细胞的天然代谢能够提供足够的 ATP 支持高水平淀粉生物合成。
3. 细胞形态工程增加细胞内淀粉积累：细胞内环境拥挤，研究人员推测扩大细胞大小可能为大分子积累提供更大空间。他们通过敲除 MHY1 基因（编码应激反应转录因子）消除解脂耶氏酵母的菌丝形成能力，发现卵形细胞限制了细胞大小和淀粉含量。相反，操纵特定基因刺激菌丝形成，如 ST1269（SRG1 缺失）、ST1271（MBP1 缺失）和 ST1278（过表达 MHY1）菌株，显著促进了菌丝生长，扩大了细胞大小，淀粉积累量提高了 10.69 - 36.05%（高达 336.58 - 428.14 mg/g DCW） 。
4. 微颗粒实现定制化淀粉的超自然高水平生产：研究人员培养野生型 ST015 和工程菌株 ST587、ST1271，获得富含淀粉的微颗粒。结果显示，ST587 和 ST1271 细胞的总淀粉含量分别达到最高 290.94 和 471.82 mg/g DCW，且淀粉组成存在差异，工程菌株中抗性淀粉比例从 0.99% 到 23.00% 不等，非抗性淀粉（尤其是低聚合糊精）比例随着抗性淀粉比例的增加而降低。在生物反应器中培养 ST1271 菌株，其时空淀粉生产率达到 243.70 g/m²/d ，比小麦、玉米、水稻种植高约 50 倍，淀粉产量（19.30 g/L）和速率（160.83 mg/L/h）也比其他微生物高一个数量级。通过补料分批发酵生产的微颗粒含有稳定比例的低聚合和高聚合淀粉，但不含抗性淀粉，不同培养过程产生的微颗粒淀粉组成模式具有可重复性，表明通过菌株和发酵过程工程可生产定制淀粉组成的微颗粒。此外，建立微生物秸秆到淀粉的转化途径，利用水解秸秆衍生的葡萄糖与乙酸盐协同作用，使碳到淀粉的产量提高了 2.8 倍，在碱性预处理和酶水解玉米秸秆中培养时，淀粉产量为 3.40 g/L，碳底物到淀粉的产量为 184.02 mg/g，展示了这种创新转化的可行性。
5. 重塑细胞机制确保高水平淀粉生物合成：对 ST587 和 ST1271 菌株进行代谢组学和转录组学分析发现，淀粉合成途径中涉及乙酸同化、乙醛酸循环和糖异生的中间代谢物显著减少，且减少幅度与淀粉水平增加成正比。同时，关键代谢途径中的差异代谢物也发生变化，包括己糖、核苷酸、甘油磷脂、脂肪酸和氨基酸代谢等，主要脂肪酸（硬脂酸和油酸）和 15 种氨基酸含量下降。转录分析表明，高淀粉生产菌株中参与乙酸转运、同化和糖异生的基因表达降低，而 G3P 到 G6P 转化相关基因（糖异生途径下游）和乙醛酸循环相关基因表达上调。此外，高水平淀粉生产菌株中菌丝发育相关转录因子上调，氨基酸生物合成相关功能基因和转录激活因子下调，肽酶基因上调，表明工程菌株形成了以氨基酸为中心的氮代谢，重新分配细胞资源以促进淀粉合成。通过调节脂质代谢进一步验证了这一假设，如在低淀粉生产菌株中下调 ACC1 表达可提高淀粉产量，在高淀粉生产菌株中使用脂肪酸合酶（FAS）抑制剂浅蓝菌素可增加淀粉积累 。

研究结论与意义

该研究通过代谢和形态工程，将解脂耶氏酵母转化为富含淀粉的微颗粒生产者，建立了低碳微生物制造定制淀粉的无耕地依赖路线。该过程结合工程酵母和电力将二氧化碳转化为淀粉，时空生产率比作物种植高约 50 倍，能量效率高 8.1 倍。通过合成生物学驱动的菌株定制，实现了微颗粒中 47.18% 的高淀粉含量，模拟了作物驯化过程且速度更快。研究揭示了淀粉生物合成机制，确定了关键调节因子和分子机制，为理解植物淀粉生物合成提供了新视角。同时，发现了全局代谢重塑、细胞资源重新分配和细胞大小调节是决定大分子积累和组成的通用策略，且这些过程在酵母中可通过操纵有限基因进行调节，有利于快速创新和改进微颗粒。此外，获得的多种具有不同大分子比例和淀粉组成的微颗粒，可用于下游应用，有望开发成定制营养产品。然而，目前二氧化碳 - 乙酸盐 - 淀粉路线成本较高，需要进一步的技术进步和资源整合来提高过程效率和可扩展性。但总体而言，该研究为低碳营养制造领域开辟了新的道路，具有重要的理论和实践意义。