脂质代谢调控提升球形红细菌辅酶Q10 产量的机制研究

针对球形红细菌（Rhodobacter sphaeroides）辅酶Q10 （CoQ10 ）工业合成效率低的问题，研究人员通过磷脂工程策略，过表达心磷脂（CL）合成基因并敲除磷脂酶（PLD/PLDB），显著提升CoQ10 产量至824?mg/L（提高57.9%），为微生物合成CoQ10 提供了新思路。

　　

辅酶Q₁₀
（CoQ₁₀
）是一种存在于线粒体内膜的关键脂溶性分子，既是电子传递链（ETC）的核心组分，又是强效抗氧化剂，广泛应用于保健品和疾病治疗。然而，其工业化生产面临两大瓶颈：真核生物合成路径复杂，而原核模式菌株球形红细菌（Rhodobacter sphaeroides）虽能天然合成CoQ₁₀
，但野生型产量远未达工业需求。更棘手的是，该菌缺乏高效的遗传操作工具，且脂质代谢与CoQ₁₀
积累的关系尚未阐明。

为解决这一难题，中国的研究团队在《Bioresource Technology》发表了一项突破性研究。他们首次系统探究了CoQ₁₀
与细胞内脂质积累的关联，通过多维度代谢工程策略，将CoQ₁₀
产量提升至行业领先水平。研究团队采用的关键技术包括：1）过表达磷脂合成通路关键基因（如心磷脂合成酶clsC）；2）构建三酰甘油（TAG）合成途径；3）利用CRISPR胞嘧啶碱基编辑器（CRISPR-CBE）敲除磷脂水解酶基因；4）优化补料分批发酵工艺。

磷脂代谢与CoQ₁₀
的正向关联
通过系统过表达6种磷脂合成酶基因，发现心磷脂（CL）合成基因clsC、pgsA和pmtA的共表达使细胞膜面积扩大1.8倍，CoQ₁₀
产量提升42.3%。冷冻电镜显示工程菌出现明显的膜层状结构，证实磷脂堆积为CoQ₁₀
提供了储存空间。

TAG积累的负面效应
引入外源二酰甘油酰基转移酶（DGAT）虽使TAG含量增加3.2倍，但CoQ₁₀
产量下降18.7%，表明TAG与CoQ₁₀
竞争共同前体异戊烯焦磷酸（IPP）。

磷脂水解酶的精准调控
通过CRISPR-CBE沉默磷脂酶D（PLD）和溶血磷脂酶（PLDB）基因，减少磷脂降解，使膜磷脂含量提高29.4%，相应CoQ₁₀
产量增加22.1%。

多策略协同优化
最终构建的工程菌RS-SQCL04整合上述所有优化策略，在5L发酵罐中实现824?mg/L的CoQ₁₀
产量，较原始菌株提高57.9%，且发酵周期缩短12小时。

这项研究不仅揭示了磷脂代谢网络调控CoQ₁₀
合成的分子机制，更开创性地将CRISPR-CBE技术应用于红细菌的代谢改造。其重要意义在于：1）首次证实心磷脂积累可物理性扩大CoQ₁₀
存储空间；2）阐明TAG与CoQ₁₀
的代谢竞争关系；3）建立球形红细菌高效基因编辑平台。该成果为微生物法生产高附加值脂溶性化合物提供了普适性策略，相关技术已申请中国发明专利保护。