香叶醇在酵母细胞中的高效生产研究

香叶醇广泛用于香料和制药行业，具有抗微生物，抗真菌和驱虫特性，据报道具有抗癌作用。香叶醇还作为异胡豆苷的前体，异胡豆苷是超过3000种单萜吲哚生物碱的中心中间体。天然植物的产量低，提取过程费力且昂贵，工业合成过程复杂，因此，香叶醇和其他单萜类化合物正在使用代谢工程策略在大肠杆菌和酿酒酵母等微生物细胞工厂中合成。

香叶醇在酵母细胞中的高效生产

为实现香叶醇在酵母细胞中的高效生产，University of Delaware的Mark Blenner团队通过调节合成途径与MVA通路，得到了高效生产香叶醇的酵母细胞。研究中选择解脂耶氏酵母中作为底盘细胞。

单萜烯需要通过甲羟戊酸途径中异戊烯基焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）的缩合产生的香叶烷基焦磷酸（GPP）。GPP通过ERG20与IPP进一步缩合，形成法尼二磷酸酯（FPP），这是倍半萜和麦角固醇的中心前体，对细胞生长至关重要。ERG20在细胞生长必不可少，不能够将其敲除。因此，与以FPP为中心中间体的倍半萜途径相比，生产单萜类化合物更具挑战性。但是在生产过程中，单萜烯的毒性会抑制它们的产生，许多研究中的工程酵母菌株产生的产量低至5 mg/L。所以在生产过程中，为了减轻单萜烯对微生物的毒性，可以使用双相发酵体系以提高产量。

香叶醇合酶在天然植物中存在于叶绿体中，将来源于长春花（Catharanthus roseus）和缬草（Valeriana officinialis ）两个植物的香叶醇合酶通过使用绿色荧光蛋白标记，定位该酶在酵母细胞中的位置。在之前的一些研究中发现，截短香叶醇合酶的信号肽能够增加产物的产量，因此，选择两种植物中的香叶醇合酶（GES）并截短形成tCrGES和tVoGES，或用天然叶绿体中的信号肽表达，在PO1f细胞中作为的质粒与tHMG1和IDI1共表达，转入CrGES和VoGES的香叶醇产量相近，而截短信号肽tCrGES和tVoGES的香叶醇产量分别增加了6.4倍和4.6倍，表明信号肽截短对于增加香叶醇的产量至关重要。在转入tCrGES与 tVoGES的菌株相比，转入tCrGES菌株具有更高的产量。因此，选择tCrGES对解脂耶氏酵母中产生香叶醇的菌株进行进一步工程设计。

由于MVA途径是解脂耶氏酵母的天然途径，研究者测试MVA途径基因的过度表达是否会通过潜在地增加GPP前体库来改善香叶醇的产生。

在本研究中，实验者设计了一株香叶醇高产解脂耶氏酵母，从头合成生产香叶醇产量达到1g/L。首次证明了在解脂耶氏酵母中GES基因信号肽的截短和MVA通路基因中过表达的基因组合可以提高香叶醇产量，但是在发酵条件中优化C/N比并没有提高香叶醇产量。本研究中的菌株可以在以后进一步设计用于各种单萜吲哚生物碱代谢物生产的下游途径，用作具有治疗应用的单萜吲哚生物碱的起点。