酵母全局转录工程协同调控芳香族氨基酸衍生色素的高效合成

本研究针对芳香族氨基酸衍生物合成中代谢通量协调优化的难题，开发了结合代谢工程与全局转录因子（SPT15/GCN4）改造的协同调控策略。通过构建Spt15pR238K和Gcn4pS22Y,T51N,L71V突变体，显著提升了酪氨酸衍生色素甜菜红素（208 mg/L）和色氨酸衍生色素紫色素（282.27μg/L）的产量，转录组分析揭示了糖酵解、磷酸戊糖途径等关键代谢通路的协同调控机制，为复杂天然产物的组合生物合成提供了新思路。

　　

在合成生物学领域，芳香族氨基酸衍生物如甜菜红素（betaxanthin）和紫色素（violacein）因其独特的生物活性和应用价值备受关注。然而，这类化合物的生物合成面临两大瓶颈：一是复杂的代谢网络导致前体通量分配失衡；二是多分支途径的协同优化困难。传统代谢工程方法如限速酶过表达或竞争途径敲除，往往难以实现代谢网络的全局协调。特别是在同时生产多种衍生物时，酪氨酸和色氨酸分支通路的碳流竞争会显著降低整体产量。

针对这一挑战，天津大学药学院、合成生物学国家重点实验室的研究团队在《Microbial Cell Factories》发表创新性研究。该工作创造性地将代谢途径优化与全局转录因子工程相结合，通过改造酵母核心转录调控网络，实现了芳香族氨基酸衍生色素的高效协同合成。研究人员采用的关键技术包括：1）基于易错PCR构建SPT15/GCN4转录因子突变库；2）双色素合成途径的模块化组装（CYP76AD1^W13L/F309L-DOD和VioABEDC）；3）高通量视觉筛选系统（黄色/灰色菌落）；4）转录组学分析碳代谢通路调控机制；5）发酵工艺优化（间歇补料策略）。

在结果部分，研究首先证实转录因子突变可显著提升甜菜红素产量。Spt15p^R238K突变使产量提升217%（51.2 mg/L），Gcn4p^{S22Y,T51N,L71V}突变提升189%（44.6 mg/L）。有趣的是，单一路径筛选的突变体对双色素合成的协调效果有限，促使研究人员开发新的筛选策略。通过构建SPT15突变库的双色素生产菌株CBVS，成功筛选出突变体Spt15p^I212N，使甜菜红素和紫色素产量分别提高59.9%和66.7%。

转录组分析揭示了突变体的全局调控机制。Spt15p^R238K和Gcn4p突变共同上调2260个基因，涉及糖酵解（TDH1/PGK1上调30倍）、磷酸戊糖途径（GND1/GND2）和芳香族氨基酸合成（ARO4/ARO2）。而双色素优化突变体Spt15p^I212N则特异性调控氨基酸生物合成和2-氧羧酸代谢通路。研究还发现七个关键上调基因（PDC5/HXT1等）的过表达可进一步促进甜菜红素合成。

通过发酵工艺优化，研究最终在1L规模实现208.45 mg/L的甜菜红素产量，创酵母合成最高记录。该工作的重要意义在于：1）建立了"局部途径优化+全局转录重编程"的协同工程范式；2）阐明了转录因子突变对碳代谢网络的系统性调控规律；3）开发的视觉筛选策略为多产物途径优化提供了新工具；4）产量突破推动了植物色素微生物制造的产业化进程。这项研究为复杂天然产物的组合生物合成提供了普适性策略，相关方法可拓展至生物碱、黄酮等高价值化合物的生产。