来源：Adv Sci (Weinh) | 编译：DNA Lab Space
肠道炎症性疾病在全球范围内的发病率持续攀升，现有药物多聚焦于症状缓解而非病因干预，且长期用药的副作用不容忽视。功能性脂质因在调节炎症信号通路中扮演关键角色，正成为营养干预研究的前沿方向。然而，具有显著抗炎活性的特殊结构多不饱和脂肪酸——异油酸（Sciadonic Acid），主要存在于红豆杉等裸子植物的种子油脂中，天然资源极为有限且难以规模化获取。这一瓶颈长期制约着其深入药理研究与临床应用转化。近期，一项发表于 Advanced Science 的研究通过合成生物学手段在解脂耶氏酵母中成功实现了异油酸的从头生物合成，并在细胞及动物水平验证了其抗结肠炎活性，为这一珍稀功能性脂肪酸的绿色制造开辟了新路径，也为精准营养干预炎症性肠病提供了创新候选分子。
研究背景
异油酸（5,11,14-二十碳三烯酸，20:3Δ5,11,14）是一种结构独特的非亚甲基间断型多不饱和脂肪酸，其双键排列方式与常见的亚甲基间断型脂肪酸（如EPA、DHA）截然不同。这种特殊的构型赋予其独特的生化性质：它能够竞争性抑制花生四烯酸代谢通路中关键酶——Δ5去饱和酶的活性，从而减少促炎性类花生酸介质的生成。已有研究提示异油酸具有抗炎、调节脂质代谢及改善胰岛素敏感性等生物学活性，特别是在缓解肠道炎症方面展现出潜在应用前景。
然而，异油酸的天然来源极为有限。在高等植物中，它主要积累于裸子植物（如红豆杉、银杏、松树）的种子油脂中，且含量受树种、产地、气候等因素影响波动较大。由于裸子植物生长周期漫长、资源珍稀，直接从植物中提取异油酸不仅成本高昂，且会带来生态破坏风险。此外，化学全合成路线步骤繁琐、产率低下，难以满足研究及潜在应用需求。因此，开发高效、可持续且环境友好的异油酸生产方法已成为该领域亟待解决的关键技术瓶颈。
近年来，合成生物学的迅猛发展为珍稀天然产物的获取提供了颠覆性方案。通过将异源生物合成途径导入工业微生物底盘，实现目标化合物从天然宿主到微生物细胞的“迁移生产”，已在青蒿素、白藜芦醇、长链多不饱和脂肪酸等多种高值化合物中取得成功实践。解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）作为一种公认安全的产油酵母，具备强大的乙酰辅酶A和丙二酰辅酶A供给能力、高水平的脂肪酸合成通量以及成熟的遗传操作工具，是重建复杂脂肪酸合成途径的理想底盘细胞。本研究正是基于这一思路，尝试在解脂耶氏酵母中重构异油酸的从头生物合成途径，进而考察其生物学功能。
研究方法
该研究的技术路线遵循“途径设计—模块化组装—菌株优化—功能验证”的合成生物学研究范式，整体实验流程详见图 
异油酸生物合成途径的设计与构建
研究者首先基于异油酸的结构特征，设计了“延长—去饱和”的差异化合成策略。异油酸的碳链骨架为二十碳（C20），其Δ5位的顺式双键是区别于其他C20脂肪酸的结构标志。鉴于目标产物在裸子植物中的天然合成涉及特异性Δ5去饱和酶，研究人员从红豆杉等裸子植物转录组中挖掘并克隆了负责在C20脂肪酸链Δ5位引入双键的关键去饱和酶基因，以及参与碳链延长过程的Δ9延长酶基因。与此同时，为保证前体供给，研究还引入了内源脂肪酸合成途径的强化模块，以实现从葡萄糖到目标脂肪酸的全程微生物催化。
解脂耶氏酵母工程菌株的构建
将上述功能模块克隆至适合解脂耶脂酵母表达的多基因表达载体后，研究者采用农杆菌介导的转化法或电转化法将重组质粒导入酵母细胞。通过营养缺陷型标记筛选阳性转化子，并利用Southern blot及RT-qPCR验证外源基因的整合拷贝数与转录水平。为提高异油酸在总脂肪酸中的占比，研究人员对底盘菌株的竞争性途径进行了策略性弱化——包括降低内源Δ12去饱和酶活性以削弱副产物亚油酸支路，并过表达限速酶乙酰辅酶A羧化酶以提升丙二酰辅酶A池的供给。
发酵条件优化与产物纯化
在摇瓶水平上，研究者系统考察了碳源种类（葡萄糖、甘油、油酸）、碳氮比、培养温度及诱导时机对异油酸产量的影响。通过响应面法确定了最优发酵参数组合。随后在5 L发酵罐中进行补料分批发酵验证，并利用气相色谱-质谱联用（GC-MS）对脂肪酸组成进行定性与定量分析，通过核磁共振谱确证产物结构。
抗结肠炎活性评价模型
将化学合成或发酵来源的异油酸制备成脂肪酸-牛血清白蛋白复合物，分别作用于脂多糖刺激的RAW264.7巨噬细胞炎症模型和葡聚糖硫酸钠诱导的小鼠溃疡性结肠炎模型。通过检测炎症因子分泌水平、NF-κB信号通路磷酸化状态及组织病理切片染色等指标，系统评估异油酸的抗炎效应及其作用机制。
研究结果
工程菌株实现异油酸高效合成
经多轮代谢工程改造后，最优菌株在摇瓶水平异油酸产量达到1.26 g/L，占总脂肪酸含量的28.6%。在5 L发酵罐放大实验中，通过补料分批策略并优化溶解氧控制，异油酸产量进一步提升至4.85 g/L，占总脂肪酸的31.2%，为目前已报道的微生物合成异油酸的最高水平（如图 所示）。GC-MS与核磁共振氢谱/碳谱分析证实，产物结构特异性吻合天然异油酸（20:3Δ5,11,14），未检测到位置异构体杂质，表明异油酸合成途径的严谨性。
值得注意的是，工程菌株中异油酸主要存在于甘油三酯组分，占总甘油三酯脂肪酸的29.7%，另有少量分布于磷脂组分。研究还发现，在内源Δ12去饱和酶表达弱化的菌株中，异油酸积累水平提升了约2.3倍，提示Δ12支路是限制异油酸高效合成的关键竞争节点。此外，研究者观察到在发酵后期添加外源油酸前体可进一步提高异油酸产量，表明该合成途径存在底物依赖性的调控特征。
异油酸显著抑制巨噬细胞炎症反应
在LPS诱导的RAW264.7巨噬细胞炎症模型中，异油酸处理（50–200 μM）以剂量依赖方式显著降低了促炎细胞因子肿瘤坏死因子-α和白细胞介素-6的分泌水平，并同时上调抗炎细胞因子白细胞介素-10的表达。Western blot分析揭示，异油酸可显著抑制IκBα的磷酸化降解及NF-κB p65亚基的核转位，表明其抗炎活性与阻断NF-κB信号通路激活密切相关。进一步的荧光素酶报告基因实验证实，异油酸对NF-κB转录活性的抑制率可达62.5%。
异油酸有效缓解小鼠实验性结肠炎
在DSS诱导的急性溃疡性结肠炎小鼠模型中，灌胃给予异油酸（200 mg/kg/day）可显著改善疾病活动指数评分，表现为体重下降幅度减小、便血情况减轻、腹泻症状缓解。结肠组织病理分析显示，异油酸治疗组炎症细胞浸润程度明显减轻，隐窝结构破坏得到有效修复（见图 ）。分子水平检测进一步表明，异油酸可下调结肠组织中髓过氧化物酶活性和促炎介质表达，同时恢复紧密连接蛋白ZO-1和Occludin的表达水平，提示其可能通过维护肠道屏障完整性发挥保护效应。
讨论与展望
本研究以“资源稀缺化合物—合成途径重建—功能验证”为主线，成功建立了异油酸的微生物细胞工厂，并以翔实的数据证实了该化合物的抗结肠炎活性，是合成生物学服务功能脂质挖掘的又一典型范例。值得注意的是，异油酸的药理效应并非简单等同于传统Omega-3脂肪酸的“抗炎”标签，其独特的非亚甲基间断结构决定了它可能具有与常规PUFAs不同的分子靶点与信号调控机制。本研究揭示的NF-κB通路抑制效应以及肠道屏障修复作用，为理解其抗炎机制提供了重要线索，但深层的分子靶点——例如是否存在特异性的膜受体或核受体介导其效应——仍有待进一步阐明。
从产业化角度看，当前菌株的异油酸产量（4.85 g/L）已具备中试放大潜力，但距离工业化经济阈值仍有提升空间。未来可通过多维代谢网络优化、动态调控元件设计、脂质定向积累策略（如增强甘油三酯组装途径）等进一步提高产量。在应用层面，鉴于传统的DSS结肠炎模型与人类UC的病理特征尚有差距，利用人源化肠道类器官或无菌小鼠模型开展更深入的药理验证，将有助于夯实异油酸的临床转化基础。此外，异油酸的体内代谢稳定性、组织分布特征及长期给药安全性等关键数据尚属空白，值得尽快补充。
总体而言，这项研究为含特殊构型多不饱和脂肪酸的微生物制造提供了可借鉴的技术范式，也为开发源于裸子植物的新型炎症性肠病营养干预策略奠定了坚实的物质与理论基础。随着合成生物学工具库的不断丰富和功能脂质生物学机制的深入解析，以异油酸为代表的新型结构脂肪酸有望从“实验室珍品”真正迈向“应用型产品”。
参考来源
Gao Y, Liu W, Liang X, Bai J, Chang H. Biosynthesis of Sciadonic Acid Derived from Gymnosperms with Anti-Colitis Activity. Advanced Science, 2025. DOI: 10.1002/advs.202500958.