2024年10月17日-19日，2024全国绿碳科学会议在青岛召开。国家杰青、中国科学院大连化学物理研究所周雍进研究员应邀出席，并作题为“甲醇生物转化合成高值化学品”的特邀报告。

甲醇生物转化合成高值化学品

 背景介绍 

CO₂、甲醇等一碳原料的生物炼制是发展绿色生物制造的重要内容，对实现碳中和具有重大意义。甲醇分子具有能量密度高、与水无限互溶、呈液态、易于储存和运输等诸多优点，是生物炼制的理想原料。然而，实现甲醇生物转化与利用的关键瓶颈在于缺乏高效的甲醇转化细胞工厂。为此，周雍进研究员利用合成生物学策略，以天然利用甲醇的多形汉逊酵母作为底盘，通过甲醇酵母基因编辑工具开发、甲醇耐受性强化以及甲醇代谢重塑的探索等研究，不仅阐明了甲醇的生物毒性及其代谢调控机制，并且构建高性能甲醇酵母细胞工厂，实现了脂肪酸衍生物以及有机酸等化学品的高效合成。在本次报告中，周雍进研究员详细介绍了相关研究进展。

周雍进研究员应邀在2024全国绿碳科学会议“绿色生物制造专场”作特邀报告

 报告内容介绍 

1 甲醇酵母高效遗传操作平台的构建

多形汉逊酵母具有天然利用甲醇的特点，具有耐高温（＞50 ℃）、可高密度发酵等优点，是构建高效甲醇细胞工厂的优选底盘。然而，多形汉逊酵母的基因编辑效率低，已报道的CRISPR系统仅能实现基因组的精准剪切。为此，周雍进团队首先开展了遗传操作平台的构建研究。与大多数研究阻断非同源末端连接修复途径不同的是，他们强化了菌株的同源重组途径，不仅使单基因编辑效率提升了1.5倍，并率先实现了多基因的精准编辑，为构建甲醇酵母的细胞工厂奠定了基础。不仅如此，周雍进团队已经向国内外50余家单位提供了基因编辑技术，有力推动了甲醇酵母研究领域的发展。

2 甲醇解毒与代谢调控机制探索

国内外甲醇生物转化相关研究的进展相对缓慢，一方面是由于缺乏合成生物学研究技术，另一方面主要由于甲醇本身具有生物毒性，严重制约了微生物细胞工厂的生物转化效率。甲醇进入细胞后代谢为甲醛，甲醛毒性制约着甲醇进入细胞的代谢通量，而如何克服甲醛毒性以提高甲醇通量，并阐明甲醇代谢调控严谨的分子机制，是亟待解决的关键科学问题。

周雍进团队利用开发的高效基因编辑技术，对酵母菌株进行改造以合成脂肪酸。工程菌株以葡萄糖为碳源时生长良好，但以甲醇为碳源时完全不生长，这说明酵母菌中甲醇的代谢通路比糖代谢通路更具刚性，而脂肪酸的合成加剧了甲醇毒性。

为探明其内在机制，周雍进团队首先通过实验室定向进化的方式获得了可以利用甲醇生长并合成脂肪酸的菌株，进而基于比较基因组分析和菌株遗传改造验证，确定了LPL1（酯酶）和IZH3（注释为锌膜蛋白，实际为酯酶）的共同失活突变，是细胞获得利用甲醇生产脂肪酸能力的关键。

其次，研究团队进一步发现死亡菌株的甲醛含量很高，磷脂含量低；野生型菌株和驯化菌株的甲醛含量很低，而磷脂含量远高于死亡菌株。通过思考两个现象的关联性，提出假设：脂肪酸的高效合成可能会降低胞内磷脂含量，进而影响过氧化物酶体膜的完整性，引起甲醛泄露，这可能是导致菌株死亡的主要原因；驯化菌株失活了酯酶，减轻了磷脂分解和过氧化物酶体膜的破坏，进而避免了甲醛泄露，使细胞得以生长。

在理解细胞耐受甲醇的分子机制之后，研究团队在驯化菌株中进一步改造甲醇代谢途径，强化了磷酸戊糖途径和糖异生途径，实现了以甲醇为唯一碳源脂肪酸的高效合成。在发酵罐中通过批式补料发酵，菌株的脂肪酸产量达到16 g/L。与以葡萄糖或者甘油为底物的两阶段发酵体系相比，该菌株以甲醇为唯一碳源发酵的鲁棒性更好。

3 甲醇高效合成β-法尼烯底盘菌株的构建

获得了以甲醇为碳源高效合成脂肪酸的工程菌株后，研究团队进一步以该菌为底盘开展以高效合成萜类化合物为目标的细胞工厂的构建。以合成β-法尼烯为例，高甲醇耐受底盘的法尼烯合成效率是野生型菌株的2.5倍，最终获得的工程菌株在1 L发酵罐中的β-法尼烯产量达到了14.7 g/L。

4 强化物质和能量传递提高甲醇生物转化效率

甲醇代谢与产物的合成代谢水平不匹配，制约着目标产物的生物合成效率。为此，研究团队通过将脂肪醇的代谢通路定位至过氧化物酶中，使其偶联甲醇代谢和产物合成水平，减少了跨膜转运引起的损失，提高了物质转化效率，进一步通过增强还原力NADPH的供给，提高了能量传递效率，最终是工程菌株的脂肪醇合成效率提升了10倍。

专家介绍

周雍进 研究员

周雍进，中国科学院大连化学物理研究所合成微生物学研究组组长，长聘研究员，“张大煜“优秀学者，博士生导师，国家自然科学基金委杰出青年基金、优秀青年基金获得者、国家人才计划青年项目入选者。曾在Cell、Nature Energy、Nature Metabolism、Nature Chemical Biology、Nature Communications、JACS、PNAS等期刊发表论文100余篇，被引用6800余次。曾获得中国药学会科学技术奖一等奖，“伦世仪”基金会杰出青年学者奖，生物技术创新大会“最具发展潜力奖”。目前担任Biotechnology Journal主编，Synthetic and Systems Biotechnology副主编以及Green Carbon等多个杂志编委、青年编委。

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周雍进研究员与Green Carbon | 甲醇生物转化合成高值化学品

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