研究背景：白桦脂酸（Betulinic acid, BA）是一种五环羽扇豆型三萜类化合物，因其显著的抗癌和抗HIV活性而备受关注。传统的BA生产方法主要包括植物提取和化学合成。然而，这些方法存在诸多局限性，如效率低、环境污染严重或成本高。因此，寻找一种高效、环保且成本低的BA生产方法成为当前研究的热点。微生物发酵因其温和的反应条件、低成本和最小污染等优势，被认为是生产BA的更有潜力的方法。酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）作为一种常用的真核表达系统，具有丰富的膜系统和细胞器、明确的代谢网络、易于遗传操作和快速增殖等特点，常被选作异源生产植物源性天然化合物的宿主细胞。因此，本研究选择酿酒酵母作为表达系统，旨在通过组合代谢工程策略提高BA的生物合成效率。

研究问题：主要围绕以下几个关键问题展开：

o   如何通过代谢工程策略在酿酒酵母中高效地合成BA？

o   如何优化BA合成途径以克服竞争途径的干扰并提高前体乙酰辅酶A（Acetyl-CoA）和辅因子NADPH的供应？

o   是否可以通过细胞器工程（如过氧化物酶体工程）进一步提高BA的产量？

研究结果：

·      异源整合BA合成途径：首先在酿酒酵母中异源整合了AtLUP1、CrAO和ATR1基因，实现了BA的从头合成。通过优化表达条件和培养条件，初始产量达到了14.01±0.21 mg/L。

·      优化BA合成途径：为了进一步提高BA的产量，优化了关键酶ERG1和AtLUP1的拷贝数，并下调了ERG7的表达水平。这些操作显著提高了BA的产量，使其达到88.07±5.83 mg/L。还通过抑制乙酰辅酶A竞争途径和增强NADPH再生系统，进一步提高了BA的产量。这些策略使得BA产量提升至166.43±1.83 mg/L。

·      细胞器工程：为了进一步挖掘BA的产量潜力，尝试在过氧化物酶体中构建另一条BA合成途径。通过双调控细胞质和过氧化物酶体代谢，BA产量显著提高到210.88±4.76 mg/L。在500 mL摇瓶中进行补料分批发酵后，BA产量最终达到682.29±8.16 mg/L，这是本研究中的最高产量。

研究意义：通过组合代谢工程策略，成功地在酿酒酵母中实现了BA的高效合成，为利用微生物发酵生产高价值天然产物提供了新的思路和方法。这一研究成果不仅具有重要的学术价值，还具有重要的实际应用价值，有望为BA的工业化生产和临床应用提供有力支持。
文献来源：Tang M, Xu X, Liu Y, Li J, Du G, Lv X, Liu L. Combinatorial Metabolic Engineering for Improving Betulinic Acid Biosynthesis in Saccharomyces cerevisiae. ACS Synth Biol. 2024 Jun 21;13(6):1798-1808. doi: 10.1021/acssynbio.4c00104. Epub 2024 May 15. PMID: 38748665.