MIT化学工程师改造酵母使植物糖转化为油类

诸平

MIT新成果

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）官网2017年1月16日报道，MIT的化学工程师们通过基因重组的酵母——解脂耶罗威亚酵母（Yarrowia lipolytica）,可以更有效地将糖转化成脂,用于可再生高能燃料如柴油的生产。MIT化学工程与生物技术教授格雷戈里·斯迪凡诺普洛斯领导的研究小组,改进了能自然产生大量脂质的解脂耶罗威亚酵母（Yarrowia lipolytica）的代谢途径，其糖转化为脂的效率提高了30%左右。格雷戈里·斯迪凡诺普洛斯教授说：“我们已经重塑了这些微生物的新陈代谢,使它们能够以非常高的产率产生油类。”斯迪凡诺普洛斯等人的这项研究成果，于2017年1月16日已经在《自然·生物技术》（Nature Biotechnology）杂志网站发表——Kangjian Qiao, Thomas M Wasylenko, Kang Zhou, Peng Xu & Gregory Stephanopoulos. Lipid production in Yarrowia lipolytica is maximized by engineering cytosolic redox metabolism. Nature Biotechnology，2017. doi:10.1038/nbt.3763. Published online：16 January 2017.

这个提升可以使可再生高能燃料的生产在经济上是可行的,而且MIT的研究团队现在正致力于更多的改进,将有助于达到更接近这一目标。斯迪凡诺普洛斯说：“我们目前已经达到此酵母潜力的约75%,另外25%的潜力将有待后续研究工作的继续。”

2017年1月16日在《自然·生物技术》（Nature Biotechnology）杂志网站发表的论文，第一作者是前麻省理工学院博士后乔康健（Kangjian Qiao音译）。其他作者是前麻省理工学院研究生Thomas Wasylenko，周康（Kang Zhou音译） 和前麻省理工学院博士后徐鹏（Peng Xu音译）。

高能燃料

用玉米生产乙醇等可再生燃料，可用于作为驱动车辆的汽油添加剂使用,但对于大型运输工具如飞机、卡车、轮船等需要像柴油等更强大的燃料就显得力不从心。

斯迪凡诺普洛斯说：“柴油之所以被作为首选燃料，是由于其能量密度高,而且使用柴油发动机效率高。但是，迄今为止，柴油的来源完全依赖于化石燃料。”

努力开发以食用油作为原料，而制得的生物柴油，使用这种燃料的发动机的研究已经取得了一些成功的经验,但食用油是一个相对稀缺和昂贵的燃料源，要想利用食用油来生产燃料柴油显然在经济上是不划算的。而甘蔗和玉米淀粉等则是更便宜、更丰富的,但这些碳水化合物必须首先被转化为脂,然后才有可能转化成高密度燃料如柴油等。

为了达到这个目标,斯迪凡诺普洛斯和他的同事们开始使用一种被称为解脂耶罗威亚酵母（Yarrowia lipolytica），这种酵母是自然会产生大量脂的一种酵母。斯迪凡诺普洛斯和他的同事们专注于充分利用分解葡萄糖所产生的电子，为了实现这一点,他们在合成途径中改变解脂耶罗威亚酵母（Yarrowia lipolytica），将葡萄糖分解产物的盈余NADH转换成NADPH, NADPH可以用来合成脂。他们最终测试十多个修改的合成途径。NADH产生于糖酵解和细胞呼吸作用中的柠檬酸循环。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的氧化态(NAD+)，得到电子后可以形成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的还原态(NADH),可以用下式表示：

NAD+ + H+ + 2e- = NADH...............................（1）

另外还有烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的氧化态（NADP+），同样可以得到电子而转化为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的还原态（NADPH）。可以用下式表示：

NADP+ + H+ + 2e- = NADPH...............................................（2）

（1）式和（2）式是消耗分解葡萄糖产生的电子，（1）式的最终产物NADH可以在基因重组的解脂耶罗威亚酵母（Yarrowia lipolytica）使NADH转化为NADPH, NADPH可以用来合成脂。斯迪凡诺普洛斯说：“事实证明,有两种途径的结合为我们给出了最好的结果,我们已经在论文中进行了报道,但是，对于为什么这些途径中只有一对是可行的，其实际工作要比其他途径更好一些的原因与机理，到目前为止尚不清楚。”

   使用这种改进的途径,产生相同数量的油类，此基因重组酵母细胞需要的葡萄糖量只有未重组酵母细胞所需葡萄糖量的2/3，即节省原料1/3。

追求更好的效率

虽然这种新型葡萄糖转化为脂的过程可以认为在当前的玉米淀粉价格条件下,经济上是可行的，但是，研究人员并不满足现状，他们希望使此过程更加高效。斯迪凡诺普洛斯说：“仍有更加完善此过程的发展空间,如果我们在这个方向更加努力,会使此过程将变得更加有效, 生产单位油品所需要的葡萄糖会更少一些。”研究人员不仅致力于此过程的更加完善与高效，而且还探索使用便宜的植物资源（如草类以及农业废弃物等）作为原料，但此类原料需要将组成这些植物的纤维素材料转化为葡萄糖之后才可加以利用，这也是美国MIT化学工程与生物技术教授格雷戈里·斯迪凡诺普洛斯领导的研究小组未来研究的一个新方向。

更多信息请注意浏览原文。

Lipid production in Yarrowia lipolytica is maximized by engineering cytosolic redox metabolism

Kangjian Qiao, Thomas M Wasylenko, Kang Zhou, Peng Xu, Gregory Stephanopoulos

Nature Biotechnology，2017，doi:10.1038/nbt.3763

Received： 04 April 2016

Accepted：08 December 2016

Published online：16 January 2017

Abstract

Microbial factories have been engineered to produce lipids from carbohydrate feedstocks for production of biofuels and oleochemicals. However, even the best yields obtained to date are insufficient for commercial lipid production. To maximize the capture of electrons generated from substrate catabolism and thus increase substrate-to-product yields, we engineered 13 strains ofYarrowia lipolytica with synthetic pathways converting glycolytic NADH into the lipid biosynthetic precursors NADPH or acetyl-CoA. A quantitative model was established and identified the yield of the lipid pathway as a crucial determinant of overall process yield. The best engineered strain achieved a productivity of 1.2 g/L/h and a process yield of 0.27 g–fatty acid methyl esters/g-glucose, which constitutes a 25% improvement over previously engineered yeast strains. Oxygen requirements of our highest producer were reduced owing to decreased NADH oxidization by aerobic respiration. We show that redox engineering could enable commercialization of microbial carbohydrate-based lipid production.