麦角硫因（抗氧化“长寿维生素”）、红景天苷（抗炎护肤）、加杜索（天然防晒剂）是化妆品领域的三大明星成分，但单独发酵生产成本高、工艺复杂。江南大学康振、胡立涛团队在《Synthetic and Systems Biotechnology》上发表研究，通过系统的代谢工程改造，首次在酿酒酵母中实现了这三种高值化妆品原料的稳定共生产。他们先优化了麦角硫因合成路径，通过筛选异源酶、融合GST增溶标签、定点突变提高稳定性、多拷贝整合等策略，将麦角硫因产量从34 mg/L提升至690 mg/L（5 L罐）。随后在此基础上引入红景天苷和加杜索的合成通路，最终菌株在5 L发酵罐中同时产出1329 mg/L麦角硫因、224 mg/L红景天苷和556 mg/L加杜索。这项工作为多功能化妆品成分的“一锅法”生物制造提供了全新平台。

化妆品成分“三剑客”：各自优秀，但从未一起生产

麦角硫因（EGT）是一种含硫组氨酸衍生物，具有极强的抗氧化能力，被誉为“长寿维生素”，在抗衰老护肤品中需求旺盛。红景天苷是红景天的主要活性成分，具有抗炎、抗光老化作用。加杜索（gadusol）是一种天然紫外线吸收剂，最初在鱼卵中发现，可作为可生物降解的防晒剂替代化学合成防晒剂。目前，这三种成分主要通过植物提取或化学合成获得，成本高、产量低、环境污染大。微生物发酵法虽有报道，但均为单一产品生产。如果能在一个菌株里同时产出这三种成分，将极大简化生产工艺、降低成本，且三者功能互补（抗氧化+抗炎+防晒），可协同用于化妆品配方。

第一步：找到最佳EGT1/EGT2酶对

酿酒酵母自身不产麦角硫因，需要引入两个异源酶：EGT1（催化组氨酸→组氨酸甜菜碱→半胱氨酸-组氨酸甜菜碱亚砜）和EGT2（催化最后一步生成EGT）。作者从四种真菌（粗糙脉孢菌Nc、里氏木霉Tr、麦角菌Cp、灰树花Gf）中分别克隆EGT1和EGT2，进行组合筛选。图1A展示了EGT合成路径和质粒构建。图1B显示，NcEGT1与TrEGT2的组合（菌株E1）表现最佳，总产量34 mg/L（胞内19，胞外15）。LC-MS（图1C）确认了产物身份。其他组合如CpEGT1、GfEGT1几乎无活性。这说明不同来源的酶在酵母中的兼容性差异很大，NcEGT1和TrEGT2可能通过代谢通道效应避免了中间体积累。

第二步：解决NcEGT1溶解性差的问题

SDS-PAGE分析（图2A）显示，NcEGT1几乎全部分布在不溶组分中，可溶性极低，这是产率瓶颈。作者测试了四种增溶标签：TrxA、MBP、GST、NusA。图2B显示，只有GST标签显著提高了NcEGT1的可溶性。图2C中，GST-NcEGT1菌株E18的EGT产量升至60 mg/L，是对照的1.8倍。NusA和MBP有中等改善，TrxA无效。

接下来，作者利用ProteinMPNN-DDG算法预测了19个可能提高蛋白稳定性的突变位点。图2D显示，单点突变A458P效果最佳，EGT产量比E18提高33%。图2E展示了突变位点在NcEGT1结构中的空间分布（AlphaFold2预测）。将A458P与其他有益突变组合构建双突变体，图2F显示A458P/S745P组合（E43）产量达89 mg/L。至此，通过增溶和稳定化，EGT产量提高了约2.6倍。

第三步：突破限速结构域——TNC2的G2S/D109A突变

NcEGT1是一个双功能酶：N端甲基转移酶结构域（TNC1）和C端5-组胺酰半胱氨酸亚砜合酶结构域（TNC2）（图3A-B）。作者在E43基础上分别过表达TNC1、TNC2和TrEGT2。图3C显示，只有过表达TNC2的菌株E45产量升至106 mg/L，而过表达TNC1和TrEGT2无提升，说明TNC2催化的步骤是限速步。

先前研究报道TNC2的F478V、F478I、L447D和G2S/D109A突变可影响酶活。作者在E45中引入这些突变。图3D显示，只有G2S/D109A突变（E50）显著提高产量至132 mg/L，比其他突变高25%。这说明该突变提高了TNC2的催化效率，而其他突变在真核系统中可能因折叠环境不同而无效。

第四步：多拷贝基因组整合，实现稳定高产

质粒系统存在遗传不稳定和抗生素依赖问题。作者将优化后的GST-NcEGT1A458P/S745P和TrEGT2表达盒（基因1）通过Cre/loxP系统多拷贝整合到rDNA位点（图4A）。随机挑选转化子发酵，图4B显示最高产量仅50 mg/L（E68），远低于质粒系统的132 mg/L，且转化子间差异大——可能是整合拷贝数不稳定或表达盒未完整整合。随后将TNC2G2S/D109A（基因2）也多拷贝整合到E68中，图4C显示最高产量菌株E100达124 mg/L，接近质粒水平。进一步敲除半乳糖代谢基因（GAL1/7/10）以增强诱导效率，得到菌株E103。在5 L发酵罐中优化补料（图4D），108 h时EGT产量达到690 mg/L（主要为胞内）。这是质粒系统的5.2倍，证明了多拷贝整合的稳定性优势。

第五步：引入红景天苷和加杜索合成途径，实现三产

红景天苷的合成需要一步糖基化：来自红景天的UDP-葡萄糖基转移酶（UGT）将酪醇转化为红景天苷（图5A）。独立表达UGT的菌株E104在摇瓶中产红景天苷45 mg/L，5 L罐中达596 mg/L（图5B）。加杜索的合成需要两个酶：2-epi-5-epi-valiolone合酶（EEVS）和甲基化/氧化酶（MT-Ox）（图5A）。共表达两酶的菌株E105在摇瓶中产加杜索355 mg/L，5 L罐中达592 mg/L（图5C）。两者均为胞内积累。

在最优EGT生产菌E103基础上，依次整合红景天苷和加杜索通路。摇瓶发酵（图5D）：双产菌株（EGT+红景天苷）产39 mg/L EGT和14 mg/L红景天苷；三产菌株产31 mg/L EGT、33 mg/L红景天苷和114 mg/L加杜索。与单产EGT菌株（摇瓶约132 mg/L）相比，三产菌株的EGT产量下降，可能是摇瓶中碳源和前体竞争所致。

然而，在5 L罐补料发酵中（图5E），三产菌株的表现出人意料：96 h时，EGT产量飙升至1329 mg/L，红景天苷224 mg/L，加杜索556 mg/L。EGT产量甚至超过了之前单产EGT菌株的690 mg/L。作者推测，在充足营养和底物供应下，引入的额外通路可能“激活”了中心碳代谢，重新分配了代谢流，反而促进了EGT的积累。发酵过程中葡萄糖和乙醇浓度变化显示代谢状态良好。

总结：一株酵母，三倍价值

本研究的核心突破在于首次实现了三种高值化妆品活性成分在单一酿酒酵母中的稳定共生产。关键技术包括：

1. 异源酶筛选：NcEGT1 + TrEGT2是最佳EGT酶对。

2. 增溶和稳定化：GST融合标签 + 双点突变（A458P/S745P）大幅提高NcEGT1可溶性表达。

3. 限速步鉴定：TNC2结构域催化的是限速反应，G2S/D109A突变提高其效率。

4. 多拷贝整合：rDNA位点整合替代质粒，提高遗传稳定性，5 L罐EGT达690 mg/L。

5. 三产集成：依次引入红景天苷和加杜索通路，三产菌株在5 L罐中产量分别为1.33 g/L、0.22 g/L、0.56 g/L。

该研究不仅为麦角硫因的高效生产提供了高性能菌株，也为多功能化妆品原料的“一锅法”生物制造开辟了新路径。未来可通过平衡前体供应、调控碳流分配，进一步优化三种产物的比例，满足不同配方的定制需求。

原文信息：Leyi Zhang, Sen Xiao, Daoan Wang, Ping Zhang, Ruirui Xu, Litao Hu, Zhen Kang. Synthetic and Systems Biotechnology, 2026, 14: 471-479. DOI: 10.1016/j.synbio.2026.04.010

通讯作者：Litao Hu（胡立涛）、Zhen Kang（康振），江南大学/华南理工大学

第一单位：江南大学碳水化合物化学与生物技术教育部重点实验室

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