The Innovation | 生物发酵法尼烯合成异植物醇助力维生素E的合成变革

导语

维生素E是人和动物体必需的脂溶性维生素，具有很强的抗氧化性，可提高机体免疫力、生育能力，具有抗癌、抗炎等功能特性，被广泛的应用于饲料添加剂、医药、食品、化妆品等领域，是维生素家族中用量最大的品种之一。绝大多数维生素E是通过异植物醇和三甲基氢醌化学合成获得，其中异植物醇的高效合成是难点。近日，武汉大学刘天罡团队围绕异植物醇的合成、法尼烯的高效微生物制备以及法尼烯合成工艺优化展开工作，致力于优化维生素E合成工艺。最新研究成果以Report形式在线发表在The Innovation。

基于生物发酵法，创新性地建立了一种以法尼烯为前体，合成异植物醇的新工艺，颠覆了维生素E的生产方式。随后，通过系统代谢工程实现了酿酒酵母中β-法尼烯的稳定高量生产、番茄红素和法尼烯的共合成，为工业上进一步降低维生素E制备成本提供了新思路。

图1 图文摘要

01

异植物醇合成工艺的确定

异植物醇是化学合成维生素E的关键前体，而假紫罗兰酮工艺是制备异植物醇的经典工艺（图2B）。该工艺起始于柠檬醛，首先合成得到假紫罗兰酮，随后经过七步化学反应获得异植物醇。尽管该工艺经过了80多年的优化，其仍然面临危险性大、对反应设备要求高等瓶颈。如果继续延用该化学合成手段，很难获得突破。

本研究提出的以生物发酵利用葡萄糖合成法尼烯，并以法尼烯为前体去合成异植物醇的方法，是一个具有颠覆性的合成工艺。首先，本研究评估了以生物发酵获得的α-法尼烯、β-法尼烯为底物合成法尼基丙酮的效率，结果表明以β-法尼烯为底物合成法尼基丙酮的得率为95%。进一步氢化法尼基丙酮获得六氢法尼烯丙酮，得率为98%。最后在氮气氛围下，以六氢法尼烯丙酮、乙烯基格氏试剂为原料，在四氢呋喃中反应，得到异植物醇，得率为99%。通过这三步反应，实现了以法尼烯为原料，总得率为92%的合成工艺。此工艺安全性高、反应步骤少、得率稳定（图2C）。基于此新型工艺，年产万吨级维生素E的工厂已于2017年成功在中国湖北投产并生产至今。

图2 维生素E的合成

02

法尼烯的高效微生物合成

上述以β-法尼烯为原料建立了合成异植物醇新工艺，而β-法尼烯的合成效率和成本决定了该工艺能否全面替代传统的合成工艺。因此，本研究通过系统代谢工程改造酿酒酵母以实现β-法尼烯的高效合成。改造方法包含酿酒酵母底盘优化、β-法尼烯合酶筛选、β-法尼烯合酶定向进化以及β-法尼烯合成途径优化。首先选择课题组前期工作中构建的酿酒酵母萜类高效合成底盘菌株JCR27为改造宿主（图3A），并筛选不同来源的β-法尼烯合酶（图3B）。选择性能更优的β-法尼烯合酶进行进一步的酶工程改造（图4），通过酶的定向进化获得了产量提升近2倍的突变体。随后优化β-法尼烯合成途径，进一步提高了β-法尼烯的产量，摇瓶发酵产量最高可达800 mg/L左右（图5），发酵罐产量可达55.4 g/L（图6A）。

图3 不同来源β-法尼烯合酶筛选

图4 β-法尼烯合酶定向进化

图5 β-法尼烯合成途径优化

03

联产番茄红素和法尼烯以降低法尼烯合成成本

为了进一步降低法尼烯的合成成本，本研究提出了高价值产品番茄红素和法尼烯的联合生产方式，在法尼烯高效合成菌株中引入番茄红素合成途径，实现了法尼烯和番茄红素的共线联产（图6B），在微生物发酵合成高附加值抗氧化剂番茄红素的同时，成功实现了法尼烯的低成本合成。

图6 β-法尼烯、β-法尼烯与番茄红素联产菌株的发酵性能

总结与展望

本文提出了以生物发酵法尼烯为原料合成异植物醇的创新工艺，基于此创新工艺，年产万吨级的产能设施在湖北荆州于2017年建立并生产至今。为进一步提升工艺的市场竞争力，本文通过系统代谢工程实现了酿酒酵母中β-法尼烯的高产。随后通过联产番茄红素和法尼烯，实现了法尼烯的“低成本”合成。此工艺结合合成生物学与化学合成，提高了生产安全性，减少了50%左右的二氧化碳排放，是合成生物学颠覆化学品经典生产工艺的又一成功案例。

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https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00024-8

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第三期以Report发表的“Revolution of vitamin E production by starting from microbial fermented farnesene to isophytol” (投稿: 2021-12-18；接收: 2022-03-08；在线刊出: 2022-03-18)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100228

引用格式：Ye Z., Shi B., Huang Y., et al. (2022). Revolution of vitamin E production by starting from microbial fermented farnesene to isophytol. The Innovation. 3(3),100228.

作者简介

刘天罡，武汉大学药学院教授，博导。从事天然产物高效合成以及新天然产物的创新发现，同时将该技术体系和研究思路服务于地方经济，实现了维生素E等一系列天然产物的创新，并开发了人工蛋白骨架等系列工具，发现一系列重要活性的天然产物，以第一完成人获2019年湖北省科学技术进步奖一等奖。

Web：http://tiangangliugroup.cn/

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