综述：微藻中异戊二烯生物合成的代谢工程方法进展与展望

这篇综述系统阐述了利用代谢工程（MEP/MVA通路）和合成生物学工具（如CRISPR/Cas9）优化微藻异戊二烯生物合成的策略，重点探讨了前体供应（IPP/DMAPP）、限速酶（DXS/HMGR）调控和通路重构对高附加值产物（如类胡萝卜素、倍半萜）产量的影响，为可持续生产药物、营养品和生物燃料提供了新思路。

　　

引言

异戊二烯（terpenes/terpenoids）作为自然界最丰富的天然产物之一，在医药、营养和工业领域具有广泛应用价值。这类由异戊二烯单元（C₅
H₈
）构成的化合物，通过甲基赤藓糖醇磷酸途径（MEP）和甲羟戊酸途径（MVA）生成关键前体异戊烯焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）。微藻因其光合固碳能力、亚细胞区室化特性以及基因编辑工具的发展，成为替代传统微生物宿主的理想平台。

异戊二烯：健康与治疗性生物分子

从单萜（C₁₀
）到四萜（C₄₀
），异戊二烯的结构多样性赋予其多重生物活性：

• 二萜（C₂₀
  ）：如紫杉二烯（taxadiene）是抗癌药物紫杉醇的前体
• 三萜（C₃₀
  ）：角鲨烯（squalene）可作为疫苗佐剂
• 类胡萝卜素：岩藻黄素（fucoxanthin）和虾青素（astaxanthin）具有抗氧化和抗肥胖特性

代谢工程策略进展

前体供应优化

通过过表达限速酶（如MEP通路的DXS）或阻断竞争路径（如脂质合成），在三角褐指藻（P. tricornutum）中使岩藻黄素产量提升2.4倍。双途径（MVA+MEP）的硅藻如海链藻（Thalassiosira）展现出更高的前体通量。

酶工程创新

• IDI-SQS融合酶：硅藻中独特的异戊烯焦磷酸异构酶（IDI）与角鲨烯合成酶融合体，促进甾醇生物合成
• 细胞色素P450：用于三萜（如桦木醇）的羟基化修饰

新兴工具应用

CRISPR技术在小球藻（C. reinhardtii）中实现：

• 敲除玉米黄质环氧化酶（ZEP），使玉米黄质产量增加56倍
• 改造β-胡萝卜素酮化酶（BKT），虾青素日产量达3.1 mg/L

挑战与展望

尽管取得进展，仍存在以下瓶颈：

1. 转基因沉默现象影响外源途径稳定性
2. 下游提取工艺成本占生产总成本的30-50%
3. 双途径协同调控机制尚未完全解析

未来方向包括开发细胞器特异性启动子、动态调控回路，以及整合TEA（技术经济分析）和LCA（生命周期评估）优化整体生产流程。