作者：杨承翰
近日，化工工程领域国际权威期刊Chemical Engineering Journal 以长文（Article）形式在线发表了永利皇宫app
生物反应器工程全国重点实验室庄英萍团队在β-苯乙醇高效生物制造方向取得的创新研究成果，论文题目为 “The ‘Coexistence’ of Ehrlich Pathway and de novo Pathway Improves 2-PE Synthesis in Saccharomyces cerevisiae”。该研究首次提出打破 β-苯乙醇理论转化率上限的新策略，为推动其绿色生物合成向产业化应用迈进提供了重要理论依据与技术指导。
β-苯乙醇（2-PE）是仅次于香兰素的全球第二大香料物质，因其优雅的玫瑰香气及良好的生物活性，在食品和医疗保健领域具有广阔应用前景。然而，目前商业化2-PE主要依靠化学合成，难以满足日益增长的天然产品需求。酿酒酵母天然存在艾氏途径（Ehrlich pathway）和从头合成途径（de novo pathway）两种合成2-PE的代谢路径。艾氏途径虽高效，但必须以昂贵的L-苯丙氨酸（L-Phe）为唯一氮源，且缺乏经济的替代物。从头合成途径利用糖酵解产物磷酸烯醇式丙酮酸及戊糖途径产物4-磷酸赤藓糖作为前体，经莽草酸途径接入艾氏途径完成2-PE合成。然而，该途径路线漫长且产率低，尤其L-Phe存在时对其首末两端关键酶表现出强烈的反馈抑制。因此，传统研究通常单独优化其中一条途径以避免相互抑制效应。
作者在前期调研中注意到，少数文献曾偶然报道批式发酵的转化率略微超过理论值，推测冗余部分可能来自于从头合成途径，但具体的出现条件和机制未被明确阐明。因此，本研究基于原位分离系统的恒化培养平台，系统探索了艾氏途径与从头合成途径协同运作（“并存”代谢状态）的具体条件。结果表明，“并存”代谢状态在较高比生长速率下出现，且该阈值超过了工业生产中为避免乙醇生成所需控制的临界比生长速率（Crabtree效应出现阈值）。为实现实际应用，研究者通过基于酶约束全基因组代谢网络模型的通量分析，揭示低比生长速率下难以出现“并存”代谢的关键因素：（1）NADH供应不足，限制了L-Phe向2-PE的完全转化；（2）L-酪氨酸途径存在强烈的分流效应。结合相关酶的转录与蛋白水平分析，确定了调控“并存”状态的关键位点。通过敲弱L-酪氨酸合成第一步关键酶TYR1，并过表达线粒体异柠檬酸脱氢酶亚基IDH1以提高胞内NADH供应，成功在临界比生长速率下实现了显著的“并存”代谢状态。在实际的补料分批发酵过程中，该工程菌株的快速合成期转化率提升了33.2%，最终产量达到12.1 g/L，位居酿酒酵母β-苯乙醇生产的领先水平。该研究不仅为突破β-苯乙醇绿色合成过程中的效率瓶颈提供了新思路，也为多途径协同合成机制研究奠定了理论基础，具有重要的产业化应用价值。
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国家生化工程技术研究中心（上海）主任庄英萍教授、副主任田锡炜副教授、杭海峰副教授为论文共同通讯作者。永利皇宫app
博士研究生杨承翰为第一作者。研究工作得到国家重点研发计划、上海市“碳中和”基础研究特区计划等项目的资助。