遇見/摘要
近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所崔球研究員課題組利用代謝工程策略成功構建了一株合成高純度DHA的裂殖壺菌細胞工廠，其DHA含量占總脂肪酸的61%，達到331 mg/g。相關成果發表在《Journal of Agriculture and Food Chemistry》（DOI:10.1021/acs.jafc.1c03781）上，該工作主要由王卓君博士完成，宋曉金副研究員和王森助理研究員為通訊作者。
遇見/內容
二十二碳六烯酸（DHA）是大腦和視網膜組織中磷脂的重要組成物質，其作為藥品和保健食品具有廣闊的開發應用前景。現時人們獲取DHA的主要途徑是通過海洋漁業資源選取（例如魚油），然而，由於資源、環境等問題的加劇，傳統來源的DHA產品遠不能滿足市場需求。裂殖壺菌（Aurantiochytrium sp.）具有高生物量、高油脂含量和易培養等特點，是現時工業化發酵生產DHA的代表性物種之一。儘管利用裂殖壺菌生產的藻油DHA比傳統魚油具有很多優點，但是較高的生產成本限制了它的推廣應用。藻油DHA的成本主要包括發酵成本和油脂加工精煉成本，它們與裂殖壺菌油脂中的DHA純度和產量密切相關。青島能源所崔球課題組一直致力於開發新的功能脂質資源，通過人工設計裂殖壺菌油脂代謝通路構建特定功能脂質的細胞工廠，用以補充現有功能脂質資源不足的現狀。
圖1.裂殖壺菌的油脂代謝通路
近期，該課題組對裂殖壺菌的脂肪酸合成途徑進行改造，獲得了合成高純度DHA的細胞工廠。通過對裂殖壺菌的基因組和轉錄組數據進行分析，繪製出裂殖壺菌油脂代謝通路圖譜（圖1），並將其分為三個部分，即脂肪酸前體供給途徑、脂肪酸合成途徑和貯存脂質合成途徑。裂殖壺菌存在兩個獨立的脂肪酸合成途徑，其中脂肪酸合酶途徑負責飽和脂肪酸的合成，聚酮合酶途徑負責多不飽和脂肪酸的合成。作者首先通過對脂肪酸合酶途徑進行弱化，引導更多的碳源流入聚酮合酶途徑用於合成多不飽和脂肪酸，使裂殖壺菌的DHA純度提高了27%，達到總脂肪酸含量的52%。然後，作者對脂肪酸前體供給途徑進行强化，通過過表達脂肪酸前體合成的關鍵酶—6-磷酸葡萄糖脫氫酶（G6PDH）和乙醯輔酶A羧化酶（ACC），使得裂殖壺菌的DHA純度提高到58%。為了進一步提高裂殖壺菌中DHA的產量，作者對貯存脂質合成途徑進行强化。裂殖壺菌中80%的脂質以甘油三酯（TAG）的形式貯存，其中二醯基甘油醯基轉移酶（DGAT）是合成甘油三酯的關鍵酶和限速酶。作者鑒定到裂殖壺菌中存在4種DGAT，通過生物資訊學分析鑒定到可能偏好DHA貯存的DGAT。通過對獲得的DGAT進行過表達，强化了TAG的合成通路，裂殖壺菌的總脂含量和DHA含量分別提高了9%和13%。最終，DHA含量占總脂肪酸的61%，達到331mg/g。
圖2.利用代謝工程手段製備生產高純度DHA細胞工廠
綜上所述，作者通過弱化DHA合成的競爭途徑-脂肪酸合酶途徑、新增脂肪酸合成的前體、强化脂肪酸的貯存途徑，最終獲得了合成高純度DHA的裂殖壺菌細胞工廠（圖2）。該研究利用代謝工程手段對裂殖壺菌的油脂合成途徑進行改造，獲得裂殖壺菌突變株的生長速率和最終生物量沒有發生明顯變化，但顯著提高了總脂產量和脂質中DHA的比例，確保了獲得的突變株符合工業化生產需求。
上述研究工作得到了國家重點研發計畫項目（2019YFD0901904）、國家自然科學基金（42006114）、山東省自然科學基金（ZR2020QD099）、中國科學院海洋大型科學研究中心的重點部署項目（COMS2019J07）的資助。
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