摘要：熊果酸，这种来自植物的天然成分，因其在抗衰老、抗炎、抗癌等方面的显著功效，近年来成为研究和应用的热点。它被广泛应用于保健品、药物和化妆品领域。然而，熊果酸的生产一直面临着成本高、生产效率低等问题。为了提高产量，科研人员纷纷转向利用微生物发酵技术，尤其是通过代谢
熊果酸，这种来自植物的天然成分，因其在抗衰老、抗炎、抗癌等方面的显著功效，近年来成为研究和应用的热点。它被广泛应用于保健品、药物和化妆品领域。然而，熊果酸的生产一直面临着成本高、生产效率低等问题。为了提高产量，科研人员纷纷转向利用微生物发酵技术，尤其是通过代谢工程优化酵母，成为一种新的生产策略。
近日，天津大学赵广荣课题组成功将酵母生产熊果酸的产量提升至 8.59 g/L，创下了迄今为止的最高纪录。这一突破离不开他们对酵母代谢路径的精确调控，以及模块化代谢工程的巧妙运用。通过优化关键酶的活性、调节重要的代谢途径，他们不仅提高了熊果酸的产量，还为未来其他天然产物的工业化生产提供了宝贵的经验。这项成果发表于 Journal of Agricultural and Food Chemistry，题为“Modular Metabolic Engineering of Saccharomyces cerevisiae for Enhanced Production of Ursolic Acid”。
熊果酸（ursolic acid）的生物合成涉及多步酶促催化反应。为了提升熊果酸合成效率，研究团队首先采用蛋白质工程策略，利用长春花来源的 α-香树脂醇合成酶（CrMAS）和融合细胞色素 P450 还原酶（CPR）的 α-香树脂醇氧化酶（CrOAS），建立了异源熊果酸生物合成模块。该策略旨在通过优化酶的空间构象及电子传递效率，增强复合酶系的催化活性，从而提高熊果酸的转化率。实验结果表明，融合蛋白的比酶活较单独酶体系显著提升 30.58%，底物 α-香树脂醇的残留量降至 4.24 mg/L。此优化不仅降低了副产物积累，还通过提高氧化反应效率使熊果酸产量达到 13.92 mg/L，为后续代谢通量调控奠定了关键基础。
图 | 酿酒酵母中熊果酸生产途径工程示意图（来源：上述论文）
接着，研究团队通过优化甲羟戊酸（MVA）途径来增强酿酒酵母中熊果酸生物合成。研究团队通过过表达异源反馈抑制抗性基因 EfmwaE（羟甲基戊二酰辅酶 A 还原酶）和 EfmwaS（羟甲基戊二酰辅酶 A 合酶），替换酵母的内源基因，并强化 ERG12（甲羟戊酸激酶）、ERG8（磷酸甲羟戊酸激酶）等内源基因表达，重构了胞质 MVA 全途径，熊果酸产量增至 47.55 mg/L。在此基础上，通过过表达 2,3-氧杂角鲨烯合成酶（ERG1）和 α-香树脂醇合成酶（CrMAS），并优化它们的表达，熊果酸产量进一步提升至 194.78 mg/L。最终，通过增加 CrMAS 的拷贝数，熊果酸产量达到 234.93 mg/L，同时显著降低了角鲨烯的积累，表明 MVA 途径的优化有效地增强了熊果酸的生物合成能力。
图|强化 MVA 途径以提高酿酒酵母中的熊果酸生物合成（来源：上述论文）
甾醇合成途径与熊果酸生物合成竞争 2,3-氧化角鲨烯这一关键前体。研究团队通过引入 N 端降解标签（K3K15 degron）靶向降解甾醇途径限速酶 ERG7（角鲨烯环氧酶），并敲除泛素连接酶基因 SSM4 以稳定 ERG1 表达。RT-qPCR 结果显示，ERG7 转录水平下调 2.1 倍，而 ERG1 表达量提升 1.8 倍。该双重策略使熊果酸产量提高至 746.74 mg/L，同时角鲨烯积累量降至未检出水平，实现了代谢通量的高效重定向。
针对乙酰辅酶 A 供给瓶颈，研究团队系统评估了磷酸酮醇酶（PHK）途径（Bbfpk-Ckpta）、乙醛脱氢酶（ALD6）与突变型乙酰辅酶 A 合成酶（SaacsL641PL641P）的协同作用。结果表明，PHK 途径通过分流糖酵解中间体生成乙酰磷酸，结合 Ckpta 催化其转化为乙酰辅酶 A，使胞内乙酰辅酶 A 浓度提升 91.97%。进一步联用 ALD6/*SaacsL641PL641P*后，熊果酸产量达 864.17 mg/L，细胞生物量增加 20.52%，验证了多途径耦合对前体供应的显著增益效应。
为增强线粒体乙酰辅酶 A 向胞质的转运，研究团队构建了丙酮酸-柠檬酸穿梭系统：过表达线粒体丙酮酸载体（MPC1/MPC3）、柠檬酸/α-酮戊二酸转运蛋白（YHM2）及异源柠檬酸裂解酶（AnACL）。GC-MS 分析显示，该策略使胞质乙酰辅酶 A 浓度提升 73.84%，熊果酸产量进一步提高至 1083.62 mg/L。通过强化跨膜代谢物交换，最终在 5 L 生物反应器中实现熊果酸产量 8.59 g/L（批次补料发酵），创目前微生物合成最高纪录。
这项突破性的研究成果展示了代谢工程在天然产物合成中的应用潜力，为其他类似天然产物的工业化生产提供了宝贵经验。此外，这项技术的成功不仅仅局限于熊果酸的生产。在未来，课题组计划将这一模块化代谢工程的方法应用于其他重要天然产物的生产中，例如抗癌药物、抗病毒药物等。
参考链接：
1.Zhu, Y., Yan, X., Li, W., Qiao, J., & Zhao, G.-R. (2025). Modular Metabolic Engineering of Saccharomyces cerevisiae for Enhanced Production of Ursolic Acid. Journal of Agricultural and Food Chemistry, Article ASAP. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.4c09840
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来源：生辉SciPhi
