香葉醇廣泛用于香料和制藥行業(yè)，具有抗微生物，抗真菌和驅(qū)蟲(chóng)特性，據(jù)報(bào)道具有抗癌作用。香葉醇還作為異胡豆苷的前體，異胡豆苷是超過(guò)3000種單萜吲哚生物堿的中心中間體。天然植物的產(chǎn)量低，提取過(guò)程費(fèi)力且昂貴，工業(yè)合成過(guò)程復(fù)雜，因此，香葉醇和其他單萜類(lèi)化合物正在使用代謝工程策略在大腸桿菌和釀酒酵母等微生物細(xì)胞工廠(chǎng)中合成。

香葉醇在酵母細(xì)胞中的高效生產(chǎn)

為實(shí)現(xiàn)香葉醇在酵母細(xì)胞中的高效生產(chǎn)，University of Delaware的Mark Blenner團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)節(jié)合成途徑與MVA通路，得到了高效生產(chǎn)香葉醇的酵母細(xì)胞。研究中選擇解脂耶氏酵母中作為底盤(pán)細(xì)胞。

單萜烯需要通過(guò)甲羥戊酸途徑中異戊烯基焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）的縮合產(chǎn)生的香葉烷基焦磷酸（GPP）。GPP通過(guò)ERG20與IPP進(jìn)一步縮合，形成法尼二磷酸酯（FPP），這是倍半萜和麥角固醇的中心前體，對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)至關(guān)重要。ERG20在細(xì)胞生長(zhǎng)必不可少，不能夠?qū)⑵淝贸?。因此，與以FPP為中心中間體的倍半萜途徑相比，生產(chǎn)單萜類(lèi)化合物更具挑戰(zhàn)性。但是在生產(chǎn)過(guò)程中，單萜烯的毒性會(huì)抑制它們的產(chǎn)生，許多研究中的工程酵母菌株產(chǎn)生的產(chǎn)量低至5 mg/L。所以在生產(chǎn)過(guò)程中，為了減輕單萜烯對(duì)微生物的毒性，可以使用雙相發(fā)酵體系以提高產(chǎn)量。

香葉醇合酶在天然植物中存在于葉綠體中，將來(lái)源于長(zhǎng)春花（Catharanthus roseus）和纈草（Valeriana officinialis ）兩個(gè)植物的香葉醇合酶通過(guò)使用綠色熒光蛋白標(biāo)記，定位該酶在酵母細(xì)胞中的位置。在之前的一些研究中發(fā)現(xiàn)，截短香葉醇合酶的信號(hào)肽能夠增加產(chǎn)物的產(chǎn)量，因此，選擇兩種植物中的香葉醇合酶（GES）并截短形成tCrGES和tVoGES，或用天然葉綠體中的信號(hào)肽表達(dá)，在PO1f細(xì)胞中作為的質(zhì)粒與tHMG1和IDI1共表達(dá)，轉(zhuǎn)入CrGES和VoGES的香葉醇產(chǎn)量相近，而截短信號(hào)肽tCrGES和tVoGES的香葉醇產(chǎn)量分別增加了6.4倍和4.6倍，表明信號(hào)肽截短對(duì)于增加香葉醇的產(chǎn)量至關(guān)重要。在轉(zhuǎn)入tCrGES與 tVoGES的菌株相比，轉(zhuǎn)入tCrGES菌株具有更高的產(chǎn)量。因此，選擇tCrGES對(duì)解脂耶氏酵母中產(chǎn)生香葉醇的菌株進(jìn)行進(jìn)一步工程設(shè)計(jì)。

由于MVA途徑是解脂耶氏酵母的天然途徑，研究者測(cè)試MVA途徑基因的過(guò)度表達(dá)是否會(huì)通過(guò)潛在地增加GPP前體庫(kù)來(lái)改善香葉醇的產(chǎn)生。

在本研究中，實(shí)驗(yàn)者設(shè)計(jì)了一株香葉醇高產(chǎn)解脂耶氏酵母，從頭合成生產(chǎn)香葉醇產(chǎn)量達(dá)到1g/L。首次證明了在解脂耶氏酵母中GES基因信號(hào)肽的截短和MVA通路基因中過(guò)表達(dá)的基因組合可以提高香葉醇產(chǎn)量，但是在發(fā)酵條件中優(yōu)化C/N比并沒(méi)有提高香葉醇產(chǎn)量。本研究中的菌株可以在以后進(jìn)一步設(shè)計(jì)用于各種單萜吲哚生物堿代謝物生產(chǎn)的下游途徑，用作具有治療應(yīng)用的單萜吲哚生物堿的起點(diǎn)。