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龙涎香，古人认为是龙的口水，其实是从抹香鲸中提取的，是非常稀有的传世收藏品以及顶级香水的定香剂，价比黄金！但抹香鲸濒临灭绝。近来的研究发现，二萜物质--香紫苏醇可以合成龙涎香醚，此外，香紫苏醇在医药和农药领域也具有重要的生物活性。

此刻，香紫苏醇主若是从植物中索要，但该想法存在受制成分多、分离纯化困难等弊端，难以实现香紫苏醇的平稳提供。通过引入异源萜类合成途径并改造内源代谢途径，构建微生物细胞工场，有望实现香紫苏醇的高效合成。

中国科学院大连化学物理研究所周雍进团队以酿酒酵母为底盘，通过构建优化二萜香紫苏醇生物合成途径并对中心代谢途径进行全局调控，实现了香紫苏醇的高效合成，产量达到11.4g/L。据作者了解，这一产量是目前已有报道中二萜类化合物的最高产量。相关成果以"Engineering yeast for high-level production of diterpenoid sclareol"为题发表在Metabolic Engineering杂志上。

主要研究内容包括：

1. 改造二萜合成酶提高产量。

在酵母基因上融合 Tps 和 Lpps 两种合成酶，香紫苏醇的产量提高 6.7 倍。并且通过在 Tps-Lpps 的 N 端毗邻麦芽糖连系蛋白提高酶的安稳性，将香紫苏醇的产量提高了 43%。

2. 通过满堂代谢路径分为三个模块，体例改造细胞代谢路径增加香紫苏醇的产量。

裁汰繁琐的基因改造步骤，该团队通过重新调动底盘细胞的中心代谢尝试细胞代谢从游离脂肪酸的生物合成转化为合成二萜化合物。这一转化可能节约 18 个基因操作步骤，缩短构建基于底盘菌株构建多功能细胞工场的时间。

查究再现，在底盘中，过表达 tHMG1、SpHMGR 和 ERG20* 基因，香紫苏醇的产量为 6.4 mg/L，比对照菌株 CXM21 提高了 5.2 倍。过表达 ERG10 和 HMG2* 基因，香紫苏醇的产量为 49.1 mg/L，比对照菌株 CXM22 提高了 22 倍。与野生型相比，增强底盘细胞的主题代谢能更分明改善类异戊二烯生物的合成。

构建的底盘细胞，查究团队全面设计了类异戊二烯道路以改善香紫苏醇的生物合成，通过基因拷贝添加与删除试验提高产量。例如说，在菌株 SCX32 中，表达两个 HMG2* 基因不妨香紫苏醇产量提高到 120.3 mg/L；在菌株 SCX38 中，过表达融合基因 BTS1-PaGGPPS 使香紫苏醇产量提高到 347.4 mg/L。

研究团队还评估了优化调节因子对香紫苏醇产量的影响。

3. 通过工程菌株的代谢谱解析了每个模块对合成香紫苏醇的影响。

野生型条件下，优化类异戊二烯路线可提升产量至 13.4 mg/L/O D600，优化调节因子可产量提高 2.6 倍。在改造核心代谢的根源上，优化类异戊二烯通路比设计调控因子菌株 CXM17 和菌株 CXM18 提高了 2 倍。

这些数据表明，这三个模块具有协同效应，可为香紫苏醇生物合成供给高效的代谢通道。的数据表明，重组代谢路径对香紫苏醇的生物合成具有积极影响。

4. 研究团队还对工程菌株进行了转录组分析，数据表明，优化类异戊二烯通路对整个代谢网络有轻微影响，而设计中心代谢和调节因子会促进细胞代谢的全局调整。此外，除了中心代谢外，还有一些隐藏的基因也对外部代谢的重新调整有反应，有助于促进目标产物的生物合成。

5. 该团队还评估了上述方式的生产潜力，他们在摇瓶和生物反应器中对用于香紫苏醇生产的菌株进行了补料分批发酵。

试验过程中，为避免添补组氨酸和尿嘧啶，查究团队通过添补营养缺欠标识URA3 和 HIS3 构建了原养型菌株，这是一种营养缺欠型突变株经答复突变或重组后发作的菌株，其营养要求在体现型上与野生型不异。接下来，优化了摇瓶中的补料培植基，最佳菌株 SCX42-LAC1-OYE3-UH 的补料分批发酵发作了 11.4 g/L 的香紫苏醇，这是迄今为止文献中报道过最高的二萜化合物产量。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1096717622001379

作者：三木