在當今追求健康生活的浪潮中，人們對于營養豐富的食品和保健品的需求日益增長。其中，一種名為石榴酸（Punicic acid）的特殊脂肪酸因其潛在的健康益處而備受關注。石榴酸是一種共軛脂肪酸，主要存在于石榴種子油中，它具有抗炎、抗氧化、降血糖等多種生理功能。然而，從石榴種子中提取石榴酸的傳統方法不僅成本高昂，而且產量有限。

為了尋找一種更高效、更可持續的生產方式，近日，加拿大阿爾伯塔大學農業食品與營養系陳冠群團隊于Bioresource Technology在線發表了一篇題為“Engineering Rhodosporidium toruloides for sustainable production of value-added punicic acid from glucose and wood residues”的研究。研究人員將目光投向了一種特殊的酵母菌——圓紅酵母（Rhodosporidium toruloides），并成功地利用它來合成石榴酸。

圖 | 陳冠群和一作 Juli Wang（來源：阿爾伯塔大學）

圓紅酵母是一種非傳統的酵母菌，與熟知的釀酒酵母不同，圓紅酵母具有積累大量油脂的能力，其細胞內的油脂含量可以超過干重的 60%，這使得它成為生產油脂的理想候選菌株，不僅如此，它能夠利用多種碳源，包括五碳糖（如木糖）和六碳糖（如葡萄糖），這使得它在利用農業和林業廢棄物（如木質纖維素水解液）生產生物產品方面具有巨大的潛力。

研究人員觀察了石榴酸的自然合成過程后發現，石榴籽發育過程中，通過從頭脂肪酸生物合成產生的油酸酯化為磷脂酰膽堿，然后在石榴特有的脂肪酸去飽和酶 2（PgFAD2）的作用下生成亞油酸，共軛酶 PgFADX 進一步將亞油酸轉化為石榴酸。受此啟發，研究人員決定將相關基因引入圓紅酵母。

圖 | 展示了改造后圓紅酵母中石榴酸合成的代謝途徑

首先，研究人員將編碼石榴 PgFADX 的基因進行了密碼子優化，以適應圓紅酵母的遺傳背景，并將其整合到圓紅酵母的基因組中。經過改造，圓紅酵母菌株能夠將總脂肪酸的 3.7% 轉化為石榴酸。然而，這一比例還遠遠達不到工業生產的理想水平。

為了進一步提高石榴酸的產量，研究人員又引入了 PgFAD2 基因，以及可能參與下游代謝過程的其他酶基因如 DGAT2 和 PDCT。通過這些基因的共表達，圓紅酵母合成石榴酸的能力得到了顯著提升。其中，共表達 PgFADX 和 PgFAD2 的菌株表現最為出色，它能夠將總脂質的 12% 轉化為石榴酸，其石榴酸滴度在搖瓶培養條件下達到了 451.6 mg/L。

圖 | 共表達 PgFADX 與 PgFAD2 可顯著提高重組菌株中的石榴酸含量

圓紅酵母的另一個吸引人的特性是它能夠利用木質纖維素水解液作為碳源。木質纖維素是農業和林業廢棄物的主要成分，它的大量存在為微生物發酵提供了豐富的原料。

研究人員利用酶解法將木質纖維素水解為含有葡萄糖和木糖的水解液，并將其作為圓紅酵母的培養基。實驗結果顯示，經過改造的圓紅酵母維素水解液中生長，并將其中的糖類轉化為含有石榴酸的單細胞油脂。在 100% 木質纖維素水解液的培養條件下，圓紅酵母菌株能夠將總脂肪酸的 6.4% 轉化為石榴酸，其石榴酸滴度達到了 310 mg/L。這一結果表明，圓紅酵母不僅能夠在傳統的葡萄糖培養基中合成石榴酸，還能夠利用木質纖維素水解液這種低成本的原料進行生產，這對于實現石榴酸的可持續生產具有重要意義。

此外，為了深入了解合成的石榴酸在圓紅酵母脂質中的分布情況，研究人員還對改造后的圓紅酵母菌株進行了脂質分離和分析。結果顯示，在氮限制條件下培養的圓紅酵母細胞中，石榴酸主要積累在三?；视停═AG）中，其含量顯著高于極性脂質（PL）中的石榴酸含量。這與石榴種子中石榴酸主要分布在磷脂中的情況有所不同。此外，研究人員還對 TAG 的脂肪酸位置進行了分析，發現石榴酸更傾向于結合在 TAG 的 sn-1/3 位置。這些發現為未來的代謝工程策略提供了重要的線索，例如，通過進一步設計和改造代謝途徑，有望進一步提高 TAG 中石榴酸的含量，如 sn-2 位置的含量等。

總之，該研究不僅為合成石榴酸這種珍貴的健康脂肪酸的生產提供了一種新的、可持續的方法，還充分展示了圓紅酵母利用木質纖維素水解液的能力，為解決農業廢棄物的處理問題提供了一種新的思路。除了生產石榴酸外，圓紅酵母還可以通過基因改造生產多種其他特種脂肪酸，例如具有多種營養應用的 omega-3 脂肪酸。

該研究的第一作者 Juli Wang 指出，該菌株目前正在申請臨時專利，可以作為面包酵母（目前批準的動物飼料補充劑）的替代品。

1. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S096085242401126X

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