来源：Semantic Scholar | 编译：DNA Lab Space
导语
食品酵母是传统发酵的灵魂，也是现代生物制造的底盘。随着合成生物学飞速发展，研究者已不满足于自然筛选的缓慢节奏，转而利用代谢工程与进化工程对酵母进行理性重塑。2025年发表于《Processes》的一篇综述系统梳理了食品酵母的代谢与进化工程策略，揭示了如何通过基因回路重构和适应性进化，赋予酵母更高效的生产性能与更丰富的感官特性，为未来精准发酵和新型食品开发提供了全景式路线图。
研究背景
数千年来，酿酒酵母（*Saccharomyces cerevisiae*）、马克斯克鲁维酵母、毕赤酵母等食品级酵母在面包烘焙、酒类酿造和调味品发酵中扮演着核心角色。它们不仅负责将碳水化合物转化为乙醇和二氧化碳，还通过次级代谢生成酯类、高级醇、有机酸等数百种风味物质，决定了发酵食品的独特感官品质。然而，传统自然筛选获得的菌株往往难以兼顾高效生产与复杂环境适应：高产乙醇的菌株可能耐渗透压差，优质风味的酿造酵母又可能在高温下活力锐减。过去二十年，系统生物学和合成生物学工具的发展使人们能够从基因层面重新设计酵母的代谢网络，打破长期存在的性能权衡。
代谢工程通过定向改造关键酶的活性、调节辅因子平衡、重构代谢通路等手段，实现目标代谢物的过量积累或副产物的消除。进化工程则借鉴自然选择的原理，通过长期培养施加特定选择压力，迫使酵母种群整体向耐高温、耐高渗透压、抑或高效利用稀有碳源的方向演化。近年来，两类策略逐渐融合：先在基因组层面进行理性设计，再借助适应性进化稳定性状并优化全局代谢，形成“先设计，后进化”的新范式。食品酵母的改造目标也从单一的乙醇产率提升，扩展到了低醉度酒酿造、天然香精香料合成、维生素及抗氧化剂富集、甚至功能性多肽分泌等多个维度。
然而，食品领域的应用对酵母改造提出了额外挑战。与工业化学品生产不同，食品酵母必须满足严格的食品安全法规，遗传改造手段往往局限于无外源抗生素抗性标记的“清洁”方式；同时，改造后菌株的风味平衡、质构特性和长期遗传稳定性，均需要经过全面的感官评价与传代验证。该综述通过对近15年相关研究的系统梳理，首次将食品酵母的代谢工程与进化工程策略置于统一框架下进行比较和整合，明确了两者联用的关键节点与成功范例。
研究方法
该综述采用系统性文献分析的方法，检索了PubMed、Scopus和Web of Science等数据库中2008—2024年间的同行评议文章，重点纳入报告了具体工程参数（如酶表达水平、代谢通量变化、适应性进化代数与突变位点）和食品相关表型（如乙醇产量、风味化合物浓度、耐热性等定量数据）的研究。在代谢工程部分，作者从**途径构建**、**酶工程**、**辅因子工程**和**动态调控**四个技术维度进行归纳；在进化工程部分，则主要聚焦**适应性实验室进化（ALE）**、**基因组建规模重排**和**基因组规模扰动**三大策略，并进一步跟踪了这些进化菌株的反向基因组重测序和逆向代谢工程分析，以揭示关键有利突变。
具体而言，梳理出的代谢工程典型路线包括：
1. **碳代谢重塑**：通过强化糖酵解或构建异源磷酸酮醇酶途径，将碳流导向乙酰辅酶A，从而提高异丁醇、乙酸乙酯等风味酯类的合成；或者在甘油途径引入氧化还原平衡模块，使更多碳骨架保留在乙醇生成路径之外，用于萜类化合物的积累。
2. **氨基酸代谢支路拓展**：过表达分支酸氨基转移酶和醇酰基转移酶，将支链氨基酸代谢中间体转化为香蕉、苹果等果香酯；通过敲除*BAT2*等转氨酶基因，减少高级醇的形成，从而降低酒饮“上头”因子。
3. **辅因子平衡与电子传递链优化**：针对酿酒酵母在限氧条件下NADH积累导致甘油过量合成的问题，引入异源NADH氧化酶或构建NAD⁺再生循环，维持胞内氧化还原稳态，提高乙醇对葡萄糖的转化率。
4. **动态感应与群体调控**：利用响应高细胞密度或特定代谢中间体的启动子，实现只在发酵中后期触发风味物质合成途径的表达，避免前期生长负担，最终使目标酯类的终产量提升2—5倍不等。
进化工程方面，综述总结了以下路线：
- **适应性实验室进化（ALE）**：将出发菌株在逐步升高温度、乙醇浓度或渗透压的培养基中连续传代100—500代，定期保存种群并测定表型。多位点突变的积累往往导致全局转录因子如*HSF1*、*MSN2/MSN4*的组成性激活，从而同时赋予耐热、耐乙醇和耐渗透压的多重抗逆表型。
- **基因组重排**：利用酵母的有性接合和孢子形成过程，将多个优良性状组合到同一细胞中，再通过反复的群体杂交和筛选，快速提升复杂性状，例如同时高产β-苯乙醇且耐受高浓度底物L-苯丙氨酸的菌株。
- **基因组规模扰动与筛选**：借助CRISPR干扰（CRISPRi）或转座子突变文库，筛选出特定条件下富集或缺失的突变体，确定与高产量性状因果关联的基因靶点，再通过反向代谢工程将这些突变体重新构建到原始菌株中验证。
综述尤其强调了两种策略的交汇点：**识别进化关键突变 → 理性重建**和**工程菌株 → 长期进化稳定化**。例如，通过全基因组测序发现进化菌株中*MKT1*位点的错义突变能够全局性提升热耐受性后，再利用CRISPR-Cas9将该点突变精准引入其他食品酵母，成功将耐热表型“移植”至不同遗传背景的菌株中，实现了跨菌株的理性设计。
研究结果
该综述汇总了数十项研究中的关键定量数据，生动展示了代谢与进化工程对食品酵母性能的系统性提升。
在**乙醇生产效率**方面，通过耦合过表达葡萄糖转运蛋白*HXT*家族基因和甘油途径的弱化，一株工业酿酒酵母菌株在超高浓度葡萄糖发酵中，乙醇终浓度达到128 g/L，较出发菌株提升18%。进一步引入NADH氧化酶后，副产物甘油浓度从12.5 g/L降至5.8 g/L，乙醇转化系数接近理论值的95%。而经ALE在高糖环境中进化150代的酿酒酵母，不仅在高渗透压培养基中的发酵时间缩短了35%，其絮凝特性也自发增强，显著简化了下游菌体分离工艺，体现出进化工程对工业整体流程的优化潜力。
在**风味物质合成**领域，修饰后的食品酵母摇身一变成为“天然香精工厂”。通过整合来自草莓和罗勒的醇酰基转移酶基因，并在强组成型启动子控制下表达，一株酿酒酵母在葡萄汁模拟发酵中合成了乙酸异戊酯和己酸乙酯的总浓度达42 mg/L，是传统葡萄酒酵母的6倍。更精巧的设计是引入铜诱导启动子，使酯类合成途径仅在发酵末期微量铜离子存在时激活，最终葡萄酒的梨和香蕉特征香气显著增强，而未产生因过早酯类积累引发的不平衡口感。利用代谢工程重构莽草酸途径，酿酒酵母可实现阿魏酸和柚皮素的从头合成，滴度分别达到52 mg/L和78 mg/L，为功能型发酵饮料（如富含抗氧化物的啤酒）提供了菌株基础。
进化工程在**抗逆性提升**上的成果同样引人注目。经40°C持续培养300代获得的耐热酿酒酵母，其在42°C下的最大比生长速率较亲本提高3.2倍，乙醇产率在高温发酵中保持85%以上。重测序揭示该菌株在分子伴侣*HSP82*启动子区出现串联重复，导致其表达量上调8倍；同时，膜流动性相关基因*FAS1*的突变使高温下细胞膜完整性显著增强。类似地，将耐热进化菌株与高产酯类工程菌株杂交后，再于高温、高糖双重压力下进行基因组重排，最终筛选出的重组菌既能在37°C正常发酵，产物乙酸异戊酯浓度又高达58 mg/L——这为热带地区不需要冷却设备的水果酒发酵打开了大门。
此外，综述还关注了**新型食品酵母底盘**的开发。马克斯克鲁维酵母因天然耐热且能利用乳糖而受到重视。通过适应性进化显著增强了其在乳清中的生长速率，再以代谢工程手段引入从乳酸乳球菌中鉴定的双乙酰合成通路，改造后的马克斯克鲁维酵母能够在乳清基料中同时生成富有奶油香气的双乙酰（38 mg/L）和清爽的乙醛，可望用于乳制饮料或奶酪风味的天然增强。毕赤酵母在异源蛋白分泌方面的优势也被重新审视：进化工程筛选出的高分泌压力耐受菌株，可将食品级淀粉酶的分泌量提高至3.5 g/L，为无添加的谷物糖化发酵提供了新方案。
所有案例共同指向一个核心发现：**单独使用代谢工程或进化工程往往只能部分触及目标性状的天花板，而两者的迭代联用——利用进化扩展全局适应性，依靠理性改造强化局部通路——能够实现1+1>2的协同突破**。例如，同时携带耐热关键突变和高产酯模块的菌株，在炎热气候下的香气产量是单纯代谢工程菌株的2.3倍，而单纯的进化菌株虽然耐受性优异，但酯类产量仅为联用菌株的30%。这些数据为未来食品酵母的定制化改造设定了基准。
讨论与展望
尽管取得耀眼进展，食品酵母的代谢与进化工程仍面临若干瓶颈。**代谢负担与遗传不稳定性**是首要难题：外源途径和过表达模块常常拖累细胞生长，导致大规模发酵时工程菌株被快速生长的不生产回复突变体“反噬”。现有解决方案包括使用营养缺陷型筛选标记替代抗生素抗性、将关键基因整合至染色体多拷贝位点并施加持续选择压。进化工程中，长期传代可能引入不可预测的背景突变，影响食品安全性状，因此透明的全基因组测序和性状锁定已成为产业化前的必选项。
在**法规与公众接受度**方面，食品酵母的自我克隆和基因组内改造正逐步获得部分地区的监管许可，但不同国家的转基因法规差异巨大，这对全球化食品贸易构成挑战。综述建议，加速发展无外源DNA残留的基因编辑（如RNP递送CRISPR组件）和精准等位基因替换，实现“类自然突变”的工程菌株，或将是赢得监管和消费者信任的关键。
展望未来，**计算工具与高通量筛选的深度嵌入**将彻底改变菌株开发范式。代谢网络模型和深度学习预测已能够指导优先改造的靶点组合，而微流控辅助的ALE平台可自动执行数百个独立进化重复，并在线监测产物的近红外光谱，实现“进化中即筛选”。当合成生物学与进化工程在食品酵母中深度交融，我们将迎来一个“设计师发酵剂”时代：只需根据特定谷物、水果基质和期望风味特征，就能快速调取预先优化的酵母模块，拼装出最适宜的菌株，人手一杯风味层次丰富、功能特性精准的个性化发酵饮品将不再遥远。
参考来源
Dagariya S, Bhatankar J, Dakal T C, et al. Metabolic and Evolutionary Engineering of Food Yeasts[J]. *Processes*, 2025, 13(6): 1852. DOI: 10.3390/pr13061852.
DOI: 10.3390/pr13061852