酿酒酵母中胭脂红酸从头合成的研究

近日，我中心陈坚院士团队周景文教授课题组在胭脂红酸从头合成的研究中取得重要进展，研究成果“De novo biosynthesis of carminic acid in Saccharomyces cerevisiae”正式发表于Metabolic Engineering (IF = 8.829)。周景文教授为论文的通讯作者，2017级博士毕业生张倩为第一作者。

胭脂红酸是一种糖基化蒽醌类化合物。作为一种红色着色剂，具有耐热、耐光、抗氧化、无致癌性以及对人体皮肤接触无毒害等特性，被广泛应用于食品、日化、制药、纺织等领域。目前，胭脂红酸主要通过从雌性胭脂虫干体中提取的方法获得，该方法具有生产周期长、生产效率低，来源受限，且成本高等缺点。微生物生产胭脂红酸可以避免这些缺点，并可能成为其可持续供应的潜在替代途径。周景文教授课题组针对“在酿酒酵母中重建胭脂红酸从头合成途径”的问题，通过系统代谢工程，成功实现了酿酒酵母中胭脂红酸的高效异源合成。首先，通过将之前报道的构巢曲霉中的胭脂红酸异源合成路径(来自芦荟的聚酮合酶(OKS)、来自链霉菌属R1128的环化酶(zhuI)、芳香酶(zhuJ)和来自胭脂虫的C-羰基转移酶(UGT2))在酿酒酵母中过量表达，但未检测到胭脂红酸。通过对构巢曲霉基因组分析，鉴定了酿酒酵母中合成胭脂红酸所必需的4′-磷酸鞘基转移酶(NpgA)和单加氧酶(AptC)，并将其与OKS、zhuI、zhuJ和UGT2一起在酿酒酵母中共表达，成功实现了胭脂酸的从头生物合成，产量达176.7 μg/L。此外，作者还鉴定出了酿酒酵母中胭脂红酸合成所必需的内源羟化酶Cat5。并通过同源建模、分子对接和动力学模拟，阐明了Cat5和AptC与配体的相互作用模式。随后，利用调节基因表达、增强前体供应和增强β氧化过程等策略对重组菌进行了改造。最终，通过5 L生物反应器进行放大，胭脂酸产量达到7580.9 μg/L。本研究是已报道的微生物异源合成胭脂红酸的最高产量，同时也展现了酿酒酵母从头合成蒽醌染料的巨大潜力。

上述研究得到了国家重点研发计划（2021YFC2100700）、国家自然科学基金（22278188）和浙江大学上海高等研究院繁星科学基金（SN-ZJU-SIAS-0013）资助。

近年来，周景文教授课题组以合成生物学科学理论为指导，在天然产物合成方面取得丰硕成果，相关研究成果已发表在Metabolic Engineering、Green Chemistry、Bioresource Technology、ACS Synthetic Biology等本领域权威期刊。

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（编辑：潘梦妍）