酵母细胞工厂高效合成不规则单萜薰衣草醇：代谢工程与酶改造的协同策略

本研究针对薰衣草醇(Lavandulol)传统提取和化学合成效率低下的问题，通过代谢工程改造酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的MVA(甲羟戊酸)通路，筛选优化薰衣草醇合酶(LILPPS)，首次实现微生物高效合成。通过过表达IDI1/tHMG等限速酶、动态调控ERG20启动子PHXT1及关键位点突变(A249T)，使摇瓶产量达136.68 mg/L，5L发酵罐产量提升至308.92 mg/L，为不规则单萜生物合成提供新范式。

　　

薰衣草醇作为薰衣草精油的主要成分，不仅是香料化妆品行业的重要原料，还能干扰害虫交配行为而被用于合成信息素。然而，传统植物提取法受限于季节和产地，化学合成则面临步骤复杂、污染严重等问题。随着合成生物学发展，微生物细胞工厂成为天然产物绿色制造的新选择。但薰衣草醇属于罕见的"不规则单萜"——其碳骨架并非通过典型的"头-尾"缩合形成，而是通过两个DMAPP(二甲基烯丙基二磷酸)分子的"头-中"缩合构建，这种特殊合成路径使得微生物异源合成面临巨大挑战。

为解决这一难题，中国的研究团队在《Synthetic and Systems Biotechnology》发表论文，首次在酿酒酵母中实现薰衣草醇的高效合成。研究采用多组学联合分析策略，通过CRISPR/Cas9基因编辑、蛋白质理性设计、分批补料发酵等关键技术，系统优化了从代谢通路到酶催化效率的全链条生产体系。

3.1 高效薰衣草醇合酶的筛选
研究人员从薰衣草(Lavandula x intermedia)中筛选出天然LILPPS，相比番茄SlNPPS^N88H突变体和蒿属CDS双功能酶，仅LILPPS能在酵母中检测到5.39 mg/L薰衣草醇。序列比对发现其N端含有55个氨基酸的信号肽，可能影响异源表达效率。

3.2 代谢通路改造提升产量
通过三管齐下的代谢工程策略：(1)在基因组位点GAL80/YPL/CIT2串联过表达IDI1(异戊烯焦磷酸异构酶)和截短型tHMG(3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶)；(2)敲除MLS1(苹果酸合酶)和CIT2(柠檬酸合酶)减少乙酰辅酶A分流；(3)用葡萄糖感应型启动子P_HXT1动态调控ERG20(法尼基焦磷酸合酶)，使DMAPP供应增加87.65%，摇瓶产量提升至34.81 mg/L。

3.3 酶分子改造突破瓶颈
分子对接显示LILPPS活性中心存在D76-G77-H78关键三联体。通过截短N端55个氨基酸使酶活提高2.91倍；基于结构指导的定点突变发现，A249T突变体通过新增与D76的氢键网络，使产量进一步提升至136.68 mg/L。

3.4 5L发酵罐放大生产
在优化pH(5.5)和溶氧(>30%)条件下，采用两相发酵(添加10%肉豆蔻酸异丙酯)和碳源阶梯式供给策略，最终在72小时获得308.92 mg/L的产量，创下微生物合成薰衣草醇的最高记录。核磁共振(1H/13C NMR)证实产物结构与标准品完全一致。

这项研究开创性地将不规则单萜合成生物学研究推向新高度。其创新性体现在：(1)首次解析DMAPP"头-中"缩合在真核微生物中的实现路径；(2)发现A249T突变通过稳定D76-G77-H78催化三联体提升效率的分子机制；(3)建立动态调控ERG20与前体供应的协同优化策略。该成果不仅为薰衣草醇的工业化生产奠定基础，更为其他稀有萜类(如除虫菊酯前体CPP)的生物合成提供通用技术框架。未来通过机器学习挖掘更多低底物特异性合酶，或将成为该领域的新突破点。