今年年初，中国科学院大连化学物理研究所周老师团队在The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)发表了题为“Peroxisomal metabolic coupling improves fatty alcohol production from sole methanol in yeast”的研究论文，该研究通过偶联过氧化物酶体和脂肪醇合成途径，并重布全局代谢网络，最终以甲醇为唯一碳源实现了脂肪醇的高效生产。该研究为构建高效的微生物细胞工厂进行甲醇生物转化提供一个很好的例子。
脂肪醇被广泛用作个人护理产品中的洗涤剂、乳化剂和润肤剂，如肥皂、洗发水和面霜。到2025年，全球脂肪酒精市场预计将达到70亿美元，复合年增长率为5.2%。脂肪醇主要是由化石燃料或植物油进行化学合成的，微生物生产可能为供应脂肪醇提供一条有效和可持续的途径，同时防止资源短缺和环境污染。
在该研究中研究者首先比较了三条不同的脂肪醇合成途径，其中FaFAR途径比其他两条途径脂肪醇产量高25倍。此外，醇脱氢酶/醛还原酶在脂肪醛转化为脂肪醇的过程中起到重要作用。因此作者过表达了酿酒酵母来源的醇脱氢酶ScADH5以及敲除内源的ADH6，最终脂肪醇产量提升了49%。为了保证脂肪醇的稳定生产，研究者将FaFAR和ScADH5整合在基因组，脂肪醇产量并无明显变化。然而在甲醇培养基中，菌株表现出低的生产效率，说明胞质合成途径不适合脂肪醇的生产。
过氧化物酶体是甲基营养酵母中甲醇同化和脂肪酸β-氧化的功能性亚细胞器，脂肪醇生物合成途径的过氧化物酶体区隔化可能会防止胞质脂肪酸稳态的干扰。因此，甲醇代谢和脂肪醇生物合成的偶合可能会对脂肪醇的生产有作用。研究者通过融合信号肽，将脂肪醇的合成途径靶向至过氧化物酶体中，相比于胞质脂肪醇生产提升了3.9倍。此外，研究者进一步通过拷贝数优化，增加前体脂肪酰辅酶A供应进一步提升了脂肪醇的合成。
从脂肪酰辅酶A到脂肪醇共需要两分子的NADPH，为了增加NADPH的供应，研究者过表达了酿酒酵母来源的异柠檬酸脱氢酶ScIDP2以及构建了苹果酸循环，进一步提升了脂肪醇的合成。
此外，研究者发现甲醇及其氧化中间体甲醛的积累对细胞的生长造成一定的损伤，严重影响脂肪醇的合成效率。为了进一步提升甲醇的利用率减少甲醛的积累，研究者过表达了二羟基丙酮合酶基因DAS2，最终显著提升了甲醇的消耗速率减少了中间体甲醛的积累，细胞生长也得到了一定程度的恢复。
最终经过摇瓶和发酵罐补料分批培养，最终菌株ZX-F75U表现出较好的脂肪醇生产能力。在发酵罐中该菌株脂肪醇产量达到3.6 g/L，产率及生产强度分别为16 mg/g和12.9 mg/L/h，是目前报道的以单一甲醇为碳源的最高脂肪醇产量。
原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2220816120
作者：马利什
