调控脂滴形成数量增强重组酿酒酵母β-胡萝卜素合成能力的分子机制

The limitation of storage space in cells is the bottleneck restricting the excessive accumulation of carotenoid products. Therefore, increasing the storage space is the prerequisite for efficient synthesis of carotenoid. Besides cell membrane, lipid droplet (LD) is the main organelle for storing carotenoid in microbial cells, and its mumber is changed with the variation of carotenoid levels. In this study, based on the principle of reverse metabolic engineering, the recombinant Saccharomyces cerevisiae strains producing different levels of β-carotene were used as research object, the key genes related to LD formation were precisely and synergistically regulated through promoter engineering to rationally increase the numbers of LD, to enhance β-carotene production. These results are expected to solve the bottleneck problem of restricting efficient biosynthesis of carotenoid and elucidate the mechanism of LD formation. This study can also provide some valuable references for research of other isoprenoids production by microorganism.

细胞存储空间有限是制约类胡萝卜素过量合成的瓶颈。因此，有效增加产物的存储空间是保证细胞高效合成类胡萝卜素的前提条件。研究发现，除细胞膜外，脂滴也是储存类胡萝卜素重要的细胞器，其数量随类胡萝卜素水平的变化而改变。本研究基于反向代谢工程的原理，以多株合成不同水平的β-胡萝卜素重组酿酒酵母菌为研究对象，利用启动子工程技术，对脂滴形成途径中相关酶的表达水平进行精确和协同调控，合理增加脂滴的数量，以扩大产物的存储空间，进一步增强细胞合成β-胡萝卜素的能力。本研究对于解决制约类胡萝卜素高效合成的瓶颈问题，阐明脂滴的形成机制将具有重要的学术意义和应用价值，同时，研究结果也可为其它类异戊二烯产物的研究提供有益的借鉴。

本研究基于反向代谢工程的原理，利用启动子工程技术，对脂滴形成途径中相关酶的表达水平进行精确和协同调控，合理增加脂滴的数量，以扩大产物的存储空间，进一步增强细胞合成β-胡萝卜素的能力。通过系统研究，我们得到了如下重要结果：.（1）证明了脂滴是存储类胡萝卜素的主要细胞器，改变了以前认为细胞膜是存储类胡萝卜素的理论，证明了85%左右的色素产品存储在脂滴中，而15%存储在细胞膜中，该结论具有非常重要的科学意义：我们可以将相关降解酶牟定在脂滴上增加底物与酶的接触，高效降解类胡萝卜素物质，用于合成其它功能性产物，例如β-紫罗兰酮、维生素A等产物；.（2）DGA1基因是控制脂滴合成的关键基因，通过过表达ACC1，DGA1和PAH1基因能够显著增加胞内脂滴数量，β-胡萝卜素的含量由67.8mg/L增加至77.4 mg/L，产物增加水平有限是由于单纯依靠调控基因增加脂滴数量的效果有限；.（3）进一步发现外加油酸能够进一步促进脂滴形成，证明基因改造和外加油酸协同处理是增加脂滴的有效方法。进而挖掘到油酸响应启动子ACC1，FAS1，FAA4和IZH1，利用替换ERG9基因原启动子合理抑制麦角固醇的合成，同时增加脂滴和色素合成水平。由于很多天然产物对于微生物细胞都具有一定毒性，该策略可以用于其它天然产物的生物合成：在增加产物合成的同时必须增加产物存储空间，而脂滴是酵母适宜的存储器。研究结果证明了增加脂滴数量是酵母细胞高效合成天然产物的前提条件，可以为其它类异戊二烯产物的研究提供有益的借鉴。