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利用微生物細(xì)胞工廠(chǎng)以可持續(xù)方式生產(chǎn)植物源藥物是解決破壞植被、環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題的重要思路。其中，釀酒酵母因其諸多優(yōu)勢(shì)成為理想的生物制造宿主，其細(xì)胞器可被視為功能完整的微反應(yīng)器，其相應(yīng)的數(shù)量、大小等特性對(duì)反應(yīng)效率至關(guān)重要。然而，細(xì)胞器的天然調(diào)控機(jī)制往往難以適配外源合成路徑，如何高效改造細(xì)胞器微環(huán)境是一大挑戰(zhàn)。乙酰輔酶A作為核心代謝前體，其供應(yīng)不足常是限制細(xì)胞質(zhì)中外源化學(xué)品合成的瓶頸?，F(xiàn)有的胞質(zhì)乙酰輔酶A強(qiáng)化策略多集中于改造其自身代謝網(wǎng)絡(luò)，但常受限于細(xì)胞內(nèi)固有的精密調(diào)控。過(guò)氧化物酶體作為一種重要的細(xì)胞器，是脂肪酸β-氧化的唯一場(chǎng)所，也是乙酰輔酶A的關(guān)鍵來(lái)源，從其內(nèi)部輸出乙酰輔酶A或許是解決此問(wèn)題的有效途徑。雖然通過(guò)工程化β-氧化途徑可提升產(chǎn)量，但過(guò)氧化物酶體微環(huán)境是否適于高效合成乙酰輔酶A，其潛力尚未被充分挖掘。過(guò)氧化物酶體的生物發(fā)生與組裝由過(guò)氧化物酶體蛋白（PEX）精密調(diào)控。盡管已有研究利用PEX調(diào)控過(guò)氧化物酶體大小以容納外源途徑，但大多數(shù)PEX如何影響乙酰輔酶A合成這一核心代謝功能，仍然是有待闡明的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題?；诖?，本研究以甘草素生物合成為模型，系統(tǒng)研究了“PEX–過(guò)氧化物酶體組裝–乙酰輔酶A合成”之間的關(guān)系，過(guò)表達(dá)關(guān)鍵PEX強(qiáng)化過(guò)氧化物酶體組裝以提高乙酰輔酶A的供應(yīng)和甘草素產(chǎn)量，結(jié)合代謝物檢測(cè)、熒光共定位、透射電鏡和轉(zhuǎn)錄組學(xué)等多重技術(shù)手段，深入闡明PEX工程化的調(diào)控機(jī)制。

首先在釀酒酵母中重構(gòu)甘草素的異源合成途徑，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)、優(yōu)化關(guān)鍵酶表達(dá)及強(qiáng)化芳香族氨基酸前體供應(yīng)，逐步提高了甘草素產(chǎn)量。針對(duì)合成過(guò)程中副產(chǎn)物柚皮素大量積累的問(wèn)題，通過(guò)精確調(diào)控CHS與CHR的基因拷貝比例，提高CHR豐度以增強(qiáng)其與中間體的接觸頻率，將柚皮素占比降至總產(chǎn)物5%以下。CHR蛋白表達(dá)水平的提高還協(xié)同上調(diào)了上游多種酶的蛋白表達(dá)，從而全面強(qiáng)化了整個(gè)合成通路，最終將甘草素產(chǎn)量提升至111.3 mg/L。

通過(guò)蛋白質(zhì)組學(xué)解析高產(chǎn)甘草素菌株的全局代謝響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)多個(gè)顯著上調(diào)的通路均與乙酰輔酶A代謝密切相關(guān)，且功能上與過(guò)氧化物酶體高度耦合。因此，聚焦PEX調(diào)控過(guò)氧化物酶體的組裝，以期突破其乙酰輔酶A的供應(yīng)瓶頸，從而進(jìn)一步提升甘草素產(chǎn)量。

對(duì)釀酒酵母中29個(gè)已知PEX進(jìn)行蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)分析（PPI），根據(jù)功能將其分為4組，并精選16個(gè)關(guān)鍵PEX進(jìn)行基因過(guò)表達(dá)研究。其中，10個(gè)PEX顯示出甘草素產(chǎn)量的提升。進(jìn)一步組合配對(duì)，篩選獲得PEX6與PEX15的最優(yōu)組合，該菌株使乙酰輔酶A供應(yīng)水平提升98%，推動(dòng)甘草素產(chǎn)量提高至328.48 mg/L；此外，還表現(xiàn)出增強(qiáng)的過(guò)氧化物酶體組裝功能，對(duì)PTS1型和PTS2型基質(zhì)蛋白的招募能力分別提高了140%和92%，過(guò)氧化物酶體數(shù)量增加67%。

進(jìn)一步通過(guò)轉(zhuǎn)錄組分析揭示了PEX的動(dòng)態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。過(guò)表達(dá)PEX6與PEX15可協(xié)同上調(diào)A、B、C組多個(gè)PEX基因的表達(dá)以及乙酰輔酶A相關(guān)途徑，實(shí)現(xiàn)了乙酰輔酶A的高效合成與定向轉(zhuǎn)運(yùn)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組指導(dǎo)，過(guò)表達(dá)CAT2與ACS1進(jìn)行代謝微調(diào)，最終將甘草素產(chǎn)量進(jìn)一步提升至403.06 mg/L，較初始菌株提高12.85倍。在補(bǔ)料分批發(fā)酵條件下，產(chǎn)量達(dá)到1102.41 mg/L。

進(jìn)一步將PEX介導(dǎo)的工程化過(guò)氧化物酶體組裝拓展至不同乙酰輔酶A衍生物的合成及不同酵母物種間應(yīng)用。在產(chǎn)物合成方面，PEX工程化使3-羥基丙酸和角鯊烯的產(chǎn)量分別提升51%與139%。在跨物種應(yīng)用方面，通過(guò)將解脂耶氏酵母來(lái)源的PEX移植至釀酒酵母，構(gòu)建功能增強(qiáng)的雜合過(guò)氧化物酶體，展現(xiàn)出更高的乙酰輔酶A及甘草素的合成效率。

本研究為“PEX–過(guò)氧化物酶體組裝–乙酰輔酶A合成”之間的關(guān)系提供了新見(jiàn)解，也為構(gòu)建雜合過(guò)氧化物酶體提供了新思路。相關(guān)研究成果以“Engineering yeast peroxisome assembly enables the increased production of acetyl-CoA and its derived 5-deoxyflavonoids”為題目在Nature系列期刊Nature Communications上發(fā)表（DOI: /10.1038/s41467-025-65444-1）。北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院生物轉(zhuǎn)化與合成生物系統(tǒng)研究團(tuán)隊(duì)的博士研究生李泳幸為該論文的第一作者，清華大學(xué)李春教授與北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院長(zhǎng)聘副教授馮旭東為該論文的共同通訊作者。