祁庆生教授团队揭示非常规酵母高效转化木糖合成丁二酸新机制

8月19日，山东大学微生物改造技术全国重点实验室祁庆生教授团队在国际顶尖期刊Advanced Science在线发表了题为“Xylose Metabolism Perturbation inYarrowia lipolyticafor Efficient Succinic Acid Bioproduction from Lignocellulosic Biomass”的重要研究成果，为木质纤维素资源的高值化利用开辟了新路径。本研究由山东大学微生物改造技术全国重点实验室祁庆生教授和崔志勇副研究员共同指导完成。实验室博士研究生钟驭涛为论文第一作者。山东大学为本研究的第一完成单位和通讯作者单位。

丁二酸是合成生物可降解塑料（如PBS）、食品添加剂和药品的关键平台化合物，市场需求巨大。祁庆生团队在前期研究中改造非常规酵母—解脂耶氏酵母，构建了一系列利用葡萄糖高产丁二酸的酵母工程菌株（Nature Communications, 2023）。然而，当以木质纤维素水解液（富含木糖）为碳源时，发现该工程菌株无法高效利用木糖。根源在于其还原丁二酸合成途径与木糖分解代谢途径在关键碳通量和氧化还原分配上存在竞争冲突，导致木糖利用率低下、丁二酸合成受阻。

针对这一难题，该团队通过适应性实验室进化成功鉴定到有利于木糖利用恢复的全局转录调控因子突变（Snf1^R78W和Scp1^delGTC），该策略虽然促进了进化菌株在木糖上的生长但却牺牲了丁二酸产量。研究团队另辟蹊径，采用随机表达文库筛选技术，借助解脂耶氏酵母自身高效的 DNA修复工具（非同源末端连接，NHEJ），成功实现了木糖代谢核心基因（木糖还原酶XR、木糖醇脱氢酶XDH、木酮糖激酶XK）的多拷贝基因组整合，大幅度提升了酵母木糖利用和丁二酸合成效率。基于以上研究结果，团队揭示了代谢竞争的核心机制：酵母细胞内脂肪酸代谢驱动的“无效循环”会将木糖代谢所需的胞质NADPH转化为丁二酸合成所需的线粒体NADH，这一过程虽能为丁二酸生成提供还原力，却加剧了木糖代谢途径自身的还原力负担。木糖代谢基因剂量的扩增有效地重新平衡了细胞内还原力的分配，缓解了木糖代谢与丁二酸合成的代谢通量竞争。与此同时，最终构建的工程菌株展现出良好的工业应用潜力，在低pH条件下，以玉米秸秆水解液为原料高产83.78 g/L丁二酸（糖酸转化率为0.66 g/g，生产强度为1.21 g/L/h）。

系统扰动解脂耶氏酵母木糖代谢实现木质纤维素基丁二酸高效生产

上述研究所构建的解脂耶氏酵母平台菌株及开发的关键代谢调控策略，为基于木质纤维素原料高效生产其他大宗化学品（如各种有机酸、醇类等）提供了极具竞争力的通用性技术框架，有力推动了非粮生物基化学品与材料的产业化进程，对实现“双碳”目标和绿色循环经济意义深远。该研究得到了国家自然科学基金（22208192；U23A20268），山东省国家自然科学基金（ZR2022ZD24）等的资助。