类胡萝卜素是一大类自然界天然存在的有色物质，广泛分布于植物、藻类、真菌和细菌中。其作为一种强效的抗氧化剂，广泛应用于营养品、食品和化妆品等行业。当前，工业生产类胡萝卜素主要是通过化学合成或者天然提取，但由于其复杂的结构导致其化学合成困难；原料供应不稳定、得率低等导致天然提取成本较高。酿酒酵母本身并不能合成类胡萝卜素，但利用重组酿酒酵母进行类胡萝卜素合成已有大量研究。在已有研究中，大部分集中在基于已有文献报道进行不断优化，报道新改造靶点并不多见。受限于我们对微生物细胞系统复杂性的了解，新靶点的发现还是相当困难。而适应性进化为新靶点的发现提供了一个有效手段，但适应性进化的成败关键在于定向选择和高通量筛选。
近日，广东省科学院微生物研究所朱红惠研究员团队在《生物资源与生物加工》（Bioresources and Bioprocessing）上发表了题为《乙醇胁迫介导适应性进化提高酿酒酵母类胡萝卜素合成能力》（Identification of a novel metabolic engineering target for carotenoid production in Saccharomyces cerevisiae via ethanol-induced adaptive laboratory evolution）的研究性论文。该研究基于已知酿酒酵母乙醇耐受性机理（与细胞膜有关）及类胡萝卜素储存于细胞膜的特性，推测在提高酿酒酵母乙醇耐受性过程中，细胞膜可能会产生变化，当细胞膜的改变与类胡萝卜素储存达到一个契合点时，就会促进类胡萝卜素的合成。因此，在酿酒酵母细胞内构建了一套乙醇胁迫介导的实验室适应性进化（图1），并成功应用于类胡萝卜素的生物合成，获得了一株含量提高5.1倍的突变株M3。借助基因组和转录组学，成功鉴定出PFK1失活突变是变异菌株类胡萝卜素合成能力提高的主要原因。此研究成果为利用合适的胁迫压力进行适应性进化，筛选获得有益突变并揭示变异的分子机制提供了一个典型案例。
图1 乙醇胁迫介导适应性进化示意图
图2 M3菌株类胡萝卜素合成能力及生长性能
图3 逆向代谢工程确定突变位点
图4 转录组分析
广东省科学院微生物研究所的苏卜利博士为本研究的第一作者，朱红惠研究员和邓名荣副研究员为共同通讯作者。本研究得到广东省重点领域研发计划项目和广东省科技计划项目的资助。
原文链接：https://bioresourcesbioprocessing.springeropen.com/articles/10.1186/s40643-021-00402-5
