来源：Semantic Scholar | 编译：DNA Lab Space
导语
天然产物因其结构多样性和显著的生物活性，在医药、农业、食品等领域具有不可替代的价值，然而传统提取与化学合成方式常受限于资源匮乏、步骤繁琐及环境压力。合成生物学的崛起为天然产物高效制造提供了全新范式，其中非常规酵母解脂耶氏酵母（*Yarrowia lipolytica*）凭借独特的乙酰辅酶A代谢流、高油脂积累能力和成熟的基因编辑工具，迅速成为天然产物异源合成的明星底盘。Gu等人近期在《Fermentation》发表的系统综述，全面梳理了利用解脂耶氏酵母合成萜类、黄酮、聚酮及生物碱等多类天然产物的最新突破，并深入解析了从途径重构、酶工程到发酵优化的多层次产量提升策略，为构建微生物细胞工厂提供了清晰的路线图。
研究背景
天然产物是大自然长期进化的分子宝库，仅FDA批准的小分子药物中就有超过半数直接或间接来源于天然产物及其衍生物。然而，天然宿主生长缓慢、有效成分含量极低、分离纯化困难，化学全合成则面临立体选择性控制难、环境不友好等问题。微生物合成生物学通过将异源生物合成途径导入快速生长的模式微生物，实现温和条件下可再生碳源到目标分子的直接转化，已成为突破上述瓶颈的核心技术。
早期研究主要集中在大肠杆菌和酿酒酵母等传统底盘，但它们在某些类别天然产物合成中暴露出明显短板：原核系统缺乏真核细胞内膜系统，难以正确表达植物来源的细胞色素P450等膜结合酶；酿酒酵母虽为真核，但其乙酰辅酶A主要定位在线粒体和细胞核，细胞质可用的乙酰辅酶A池有限，而大量天然产物（如萜类、聚酮）的前体正是胞质乙酰辅酶A。解脂耶氏酵母是公认的油脂酵母，其天然代谢网络使胞质乙酰辅酶A供应充沛，可积累高达细胞干重90%以上的油脂，为高碳原子经济性产物的合成提供了天然优势。此外，该酵母耐受极端pH、高渗透压和疏水环境，适合工业规模发酵；近年来CRISPR-Cas9等基因编辑工具的快速适配更是大幅提升其遗传可操作性。这些特质使解脂耶氏酵母成为合成萜类、黄酮、聚酮及复杂生物碱的理想底盘，研究热度在近五年呈爆发式增长。
Gu等人的这篇综述正是针对这一趋势，系统整合了截至2025年初的最新文献，全面描绘了解脂耶氏酵母天然产物合成领域的技术全景，旨在为研究人员提供从菌株构建到工业放大的系统级参考框架。
研究方法
本篇论文是一篇叙述性系统综述，作者围绕“天然产物生物合成”与“解脂耶氏酵母产量提升”两大关键词，在多个主流学术数据库中进行检索和文献筛选，重点关注2015–2024年间发表的高质量研究论文与专利。在文献组织上，作者采用了“产物类别—合成策略—工程层次”的三维解析逻辑。
首先，按产物结构类型将天然产物分为萜类（包括单萜、倍半萜、二萜、三萜及四萜类胡萝卜素）、聚酮类、苯丙素与黄酮类、生物碱及其他含氮化合物四大板块，逐一归纳其在解脂耶氏酵母中的合成路径重构方式。对于每一类天然产物，综述详细梳理了关键酶的来源选择（植物、真菌或细菌）、异源表达盒设计（启动子强度、终止子与整合位点的组合优化）、以及途径限速步骤的消除方法。
其次，在策略层面，文章系统拆解了产量提升的多维工程手段，包括：途径工程（前体供应优化、竞争途径阻断、代谢流重定向）、酶工程（定向进化、理性设计、融合蛋白构建）、辅因子工程（NADPH/乙酰辅酶A平衡、ATP再生强化）、转运与区室化工程（产物外排泵、过氧化物酶体或脂滴靶向）、以及发酵过程工程（分批补料策略、两相萃取发酵、pH调控和溶氧优化）。综述不满足于简单罗列成功案例，而是着重比较同一策略在不同产物体系中的效果差异，尝试总结具有普适性的设计原则。
同时，文章还关注了新兴工具对该领域的推动，包括基于CRISPR-Cas12a的多基因同时组装技术、基于转录因子生物传感器的自适应进化筛选体系、以及结合机器学习的代谢途径预测与优化算法。这种多维度的阐述方式使综述兼具系统性与前瞻性。
研究结果
Gu等人通过整合数十项代表性研究，清晰描绘了解脂耶氏酵母作为天然产物合成底盘的先进性与可塑性，并呈现出一系列令人瞩目的技术成果。
在萜类化合物合成方面，文章指出这是目前解脂耶氏酵母中成果最为丰硕的门类。以β-胡萝卜素和虾青素为代表的四萜类化合物，通过强化甲羟戊酸途径、过表达限速酶HMGR以及引入脂滴靶向融合蛋白，产量已突破克级每升。例如，通过将焦磷酸香叶基香叶酯合成酶和八氢番茄红素合成酶特异性地定位到脂滴表面，β-胡萝卜素产量较细胞质表达提高了数倍，充分体现了脂滴作为疏水产物储存隔室的独特优势。对于倍半萜α-蛇麻烯，利用融合蛋白技术将法尼基焦磷酸合成酶与蛇麻烯合成酶共价连接，在优化的补料分批发酵中产量达到近1 g/L，为该化合物替代啤酒花提取提供了工业化可能。二萜紫杉二烯的合成则彰显了区室化工程的威力，将紫杉二烯合成途径区室化至过氧化物酶体，成功避免胞质代谢物的竞争与毒性，产量较胞质体系提升了3.5倍。
在聚酮化合物领域，文章特别强调了Ⅲ型聚酮合成酶产物的突破。白藜芦醇作为代表性茋类化合物，通过整合酪氨酸解氨酶、4-香豆酸辅酶A连接酶和白藜芦醇合酶，并敲除脂肪酸β-氧化途径以保留胞质丙二酰辅酶A，摇瓶产量达数百毫克每升。更引人注目的是，利用响应丙二酰辅酶A的转录因子生物传感器，结合流式细胞术进行超高通量筛选，获得的白藜芦醇高产菌株产量较出发菌株提高10倍以上，该策略为其他以丙二酰辅酶A为前体的聚酮产物提供了通用进化框架。
苯丙素和黄酮类化合物的合成同样取得长足进展。柚皮素作为黄酮核心骨架，其合成需要胞质充足的丙二酰辅酶A和对香豆酰辅酶A。文章描述了一种巧妙策略：将苯丙氨酸解氨酶途径与植物来源的4-香豆酸辅酶A连接酶和查尔酮合酶协同表达，同时引入磷酸转酮酶-磷酸转乙酰酶途径实现从葡萄糖到乙酰辅酶A的碳重排，显著提升了丙二酰辅酶A供给。在这一优化底盘基础上，柚皮素产量从初始的痕量水平跃升至近1 g/L。由柚皮素出发，通过进一步异源表达黄酮合酶、黄酮醇合酶以及糖基转移酶，成功实现了多种稀有黄酮苷的从头合成，部分产物产量已达百毫克每升级别。
生物碱领域由于涉及更为精细的立体化学和氧化重排，进展相对缓慢，但仍不乏亮点。综述引述了将植物（S）-网状番荔枝碱合成途径在解脂耶氏酵母中重建的研究，通过整合去甲乌药碱合酶、甲基转移酶和细胞色素P450氧化酶，并利用脂质体工程改善内质网增生以支持P450活性，首次实现了该苄基异喹啉生物碱的微生物全合成。尽管产量仅为毫克每升水平，但验证了该底盘在复杂生物碱合成中的潜力。
综述还对各种策略的效果进行了横向比较。途径重构与酶工程属于“从无到有”的奠基性工作；前体供应强化和辅因子平衡可将产量提升一个数量级；而脂滴或过氧化物酶体区室化、产物原位萃取等发酵-细胞一体化策略往往能将产量再提升数倍至十倍以上。多种策略的协同使用，已使如α-蛇麻烯、β-胡萝卜素等产物的发酵指标逼近或达到产业化门槛，充分体现了“分层优化、系统集成”的思路。
讨论与展望
Gu等人的综述清晰表明，解脂耶氏酵母已从“有潜力的替代底盘”发展为天然产物合成生物学中的“主力平台”。但文章同样指出，要真正实现广泛工业化，仍需克服若干核心挑战。首先，天然产物合成途径中大量植物来源的细胞色素P450酶在解脂耶氏酵母中表达活性普遍偏低，且氧化还原伴侣适配性不佳，未来需结合蛋白质工程和异源还原酶筛选提升其偶联效率。其次，对于结构复杂、多步骤修饰的生物碱等产物，菌株代谢负担重、中间代谢物积累毒性等问题突出，动态调控系统与群体感应自发调控回路的引入有望实现生长与生产的自动平衡。再次，现有研究多数局限于实验室规模，工业条件下的溶氧、剪切力和廉价复杂培养基（如木质纤维素水解液）的适应性数据缺乏，亟需开展中试放大研究与生命周期评估。
文章进一步展望，随着解脂耶氏酵母代谢模型精度的提高和全基因组规模基因型—表型关联数据的积累，基于计算的“设计—构建—测试—学习”闭环将大大加速菌株迭代。此外，该酵母天然高产油脂的特性与萜类、聚酮合成存在碳代谢竞争的深层关系，未来通过代谢流组学和13C代谢通量分析深入揭示油脂积累与异源途径之间的交互调控，有望开创新型代谢工程靶点。在合成生物学与过程工程的交叉地带，利用解脂耶氏酵母天然成膜特性开发连续生物膜反应器，甚至将其与光电催化体系耦联以实现还原力原位再生，均可能颠覆现有生产模式。
总之，这篇综述不仅为解脂耶氏酵母天然产物合成绘制了迄今为止最全面的技术版图，更通过策略解构与趋势预测，为领域内研究者提供了从基础科学问题到产业化路径的系统性洞见。可以预见，在不远的将来，以该酵母为底盘的天然产物细胞工厂将在高附加值化学品和原料药领域实现更多颠覆性突破。
参考来源
Gu Z, Li X, Moore F, et al. Recent Advances in Natural Product Biosynthesis and Yield Improvement Strategies Using *Yarrowia lipolytica* [J]. Fermentation, 2025, 12(4): 182. DOI: 10.3390/fermentation12040182
DOI: 10.3390/fermentation12040182