中科院青岛能源所崔球组JAFC|通过代谢工程策略构建合成高纯度DHA的裂殖壶菌细胞工厂

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摘要

近日,中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔球研究员课题组利用代谢工程策略成功构建了一株合成高纯度DHA的裂殖壶菌细胞工厂,其DHA含量占总脂肪酸的61%,达到331 mg/g。相关成果发表在《Journal of Agriculture and Food Chemistry》(DOI10.1021/acs.jafc.1c03781)上,该工作主要由王卓君博士完成,宋晓金副研究员和王森助理研究员为通讯作者。 

内容

二十二碳六烯酸(DHA)是大脑和视网膜组织中磷脂的重要组成物质,其作为药品和保健食品具有广阔的开发应用前景。目前人们获取DHA的主要途径是通过海洋渔业资源提取(例如鱼油),然而,由于资源、环境等问题的加剧,传统来源的DHA产品远不能满足市场需求。裂殖壶菌(Aurantiochytrium sp.)具有高生物量、高油脂含量和易培养等特点,是目前工业化发酵生产DHA的代表性物种之一。尽管利用裂殖壶菌生产的藻油DHA比传统鱼油具有很多优点,但是较高的生产成本限制了它的推广应用。藻油DHA的成本主要包括发酵成本和油脂加工精炼成本,它们与裂殖壶菌油脂中的DHA纯度和产量密切相关。青岛能源所崔球课题组一直致力于开发新的功能脂质资源,通过人工设计裂殖壶菌油脂代谢通路构建特定功能脂质的细胞工厂,用以补充现有功能脂质资源不足的现状。


1. 裂殖壶菌的油脂代谢通路

近期,该课题组对裂殖壶菌的脂肪酸合成途径进行改造,获得了合成高纯度DHA的细胞工厂。通过对裂殖壶菌的基因组和转录组数据进行分析,绘制出裂殖壶菌油脂代谢通路图谱(1),并将其分为三个部分,即脂肪酸前体供给途径、脂肪酸合成途径和贮存脂质合成途径。裂殖壶菌存在两个独立的脂肪酸合成途径,其中脂肪酸合酶途径负责饱和脂肪酸的合成,聚酮合酶途径负责多不饱和脂肪酸的合成。作者首先通过对脂肪酸合酶途径进行弱化,引导更多的碳源流入聚酮合酶途径用于合成多不饱和脂肪酸,使裂殖壶菌的DHA纯度提高了27%,达到总脂肪酸含量的52%。然后,作者对脂肪酸前体供给途径进行强化,通过过表达脂肪酸前体合成的关键酶—6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G6PDH)和乙酰辅酶A羧化酶(ACC),使得裂殖壶菌的DHA纯度提高到58%。为了进一步提高裂殖壶菌中DHA的产量,作者对贮存脂质合成途径进行强化。裂殖壶菌中80%的脂质以甘油三酯(TAG)的形式贮存,其中二酰基甘油酰基转移酶(DGAT)是合成甘油三酯的关键酶和限速酶。作者鉴定到裂殖壶菌中存在4DGAT,通过生物信息学分析鉴定到可能偏好DHA贮存的DGAT。通过对获得的DGAT进行过表达,强化了TAG的合成通路,裂殖壶菌的总脂含量和DHA含量分别提高了9%13%。最终,DHA含量占总脂肪酸的61%,达到331mg/g
  

2.利用代谢工程手段制备生产高纯度DHA细胞工厂


综上所述,作者通过弱化DHA合成的竞争途径-脂肪酸合酶途径、增加脂肪酸合成的前体、强化脂肪酸的贮存途径,最终获得了合成高纯度DHA的裂殖壶菌细胞工厂2)。该研究利用代谢工程手段对裂殖壶菌的油脂合成途径进行改造,获得裂殖壶菌突变株的生长速率和最终生物量没有发生明显变化,但显著提高了总脂产量和脂质中DHA的比例,确保了获得的突变株符合工业化生产需求。
上述研究工作得到了国家重点研发计划项目(2019YFD0901904)、国家自然科学基金(42006114)、山东省自然科学基金(ZR2020QD099)、中国科学院海洋大型科学研究中心的重点部署项目(COMS2019J07)的资助。


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