浙大潘荣辉/连佳长团队Trends in Biotechnology综述│面向生物制造和农业的过氧化物酶体代谢工程研究进展
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生命科学
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基于细胞器工程的代谢途径区室化，是合成生物学和代谢工程领域的重要前沿方向之一。过氧化物酶体是代谢流丰富、调控机制多样的单层膜细胞器，在代谢工程中作为亚细胞反应器具有多种独特优势，近年来基于过氧化物酶体的代谢工程研究成果不断涌现。近日，浙江大学潘荣辉研究员和连佳长研究员团队合作在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Biotechnology发表综述，系统地总结了过氧化物酶体代谢工程在生物制造和农业领域中的研究进展，并对过氧化物酶体代谢工程的发展趋势进行展望。
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1. 过氧化物酶体与细胞器代谢工程
在合成复杂天然产物的代谢工程中，基于细胞器工程的代谢途径区室化具有多种重要优势。与细胞质代谢工程相比，细胞器代谢工程的优点包括且不限于（1）底物、辅因子和酶的局部浓度提升，催化效率增强；（2）副产物和竞争反应减少，目标产物的特异性提高；（3）在特定细胞器内隔离代谢中间代谢物或产物，细胞毒性降低，细胞活性和稳定性提升（图1A）。迄今为止，已在多种有膜细胞器中成功引入外源代谢途径，其中，过氧化物酶体具有丰富的代谢功能和代谢流，是构建人工代谢通路的理想场所。首先，在酵母和植物中，过氧化物酶体含有多种内源代谢通路，参与脂肪酸β-氧化、乙醛酸循环等代谢反应，为生物合成提供丰富的前体代谢物（图1B）。其次，过氧化物酶体通过多种类型的膜蛋白实现小分子溶质以及较大分子（如β-氧化底物和多种辅因子）的跨膜转运，进一步丰富其底物类型（图1B）。此外，过氧化物酶体与多种细胞器存在物理互作，促进细胞器间代谢物的交换（图1B）。除了具有丰富的合成代谢底物，过氧化物酶体定位信号肽（Peroxisome targeting signal, PTS）的解析也为人工引入外源蛋白奠定了良好基础；当前已被鉴定的过氧化物酶体生物发生和数量调控元件也在过氧化物酶体工程中大量应用于调控过氧化物酶体丰度以增加产量（图1C）。
▲图1.过氧化物酶体是一种理想的细胞器工程改造对象。
（A）细胞器工程的优势。（B）过氧化物酶体具有丰富的代谢功能和代谢流。（C）过氧化物酶体数量调控机制。
2. 过氧化物酶体工程研究进展
在酵母和植物底盘中，过氧化物酶体代谢工程已被用于脂肪酸或羧酸衍生物、萜类化合物、生物碱、抗生素、植物激素等生物分子的合成，以及构建光呼吸旁路以提高作物产量（图2）。
利用过氧化物酶体脂肪酸β-氧化通路的中间物或者终产物，已经在多种酵母和植物中实现聚羟基烷酸酯的合成，并且在不同酵母中实现聚-D-乳酸、聚酮化合物、衣康酸、脂肪醇、烷烃、烯烃等脂肪酸或羧酸衍生物的合成（图2A）。过氧化物酶体代谢工程也被用于酵母底盘中芳樟醇、香叶醇等数十种单萜类化合物，以及法呢烯、角鲨烯、番茄红素等多种倍半萜、三萜和四萜类化合物的合成（图2B）。过氧化物酶体区室化策略还可以被用于解决异源代谢途径的细胞毒性、底物抑制等问题。比如S-去甲乌药碱合酶在胞质中表达呈现出毒性，将其定位至过氧化物酶体后工程菌株生长及产物滴度均明显改善。不同生物的过氧化物酶体常具有物种特异的代谢途径，可通过过氧化物酶体工程在不同物种间进行移植。例如，真菌的青霉素和植物激素茉莉酸的合成通路，均已通过跨物种移植实现异源生物合成。过氧化物酶体工程在植物中可被用于光合固碳效率的提升。许多重要作物是C3植物，为了减少C3植物的光呼吸造成的碳通量损失，提升光合固碳效率，在参与光呼吸的细胞器中构建光呼吸旁路是重要研究方向之一，其中，在过氧化物酶体中构建乙醛酸同化途径是一种减少氮、碳通量损失的潜在有效策略（图2C）。
▲图2.利用过氧化物酶体工程进行生物合成和光呼吸通路改造。
（A）利用过氧化物酶体工程合成脂肪酸和羧酸衍生物。（B）利用过氧化物酶体工程合成萜类化合物。（C）利用过氧化物酶体工程构建光呼吸旁路。
3. 过氧化物酶体工程中的产物提升策略
除了将异源的生物合成途径引入过氧化物酶体，还可以通过额外的工程策略提升异源代谢通路的效率。首先，是通过表达或抑制过氧化物酶体生物发生相关的调控元件，提高过氧化物酶体的数量和体积，扩大其容量，实现化合物产量的提升。其次，是同时利用包括过氧化物酶体在内的多个亚细胞区室进行生物合成，通过多通道聚合提到产量。第三，是通过代谢重构增加过氧化物酶体中前体和辅因子的供应，进而提高生物合成的效率。第四，是在过氧化物酶体膜上锚定外源蛋白，以高效利用过氧化物酶体中输出的前体代谢物，同时及时将产物释放到细胞质或其他细胞器中。
4. 总结与展望
近二十年来，酵母和植物底盘的过氧化物酶体酶体代谢工程取得大量进展，广泛应用于生物制造，在合成可降解生物聚酯和可再生生物燃料方面具有巨大潜力，有望应对环境挑战。植物过氧化物酶体代谢工程还可应用于光呼吸改造，以提高光合作用固碳效率从而提升作物产量。未来全面解析过氧化物酶体定位信号肽，有助于过氧化物酶体代谢工程元件的开发利用，甚至有利于基于过氧化物酶体创造具有正交性的人工细胞器，因此过氧化物酶体信号肽PTS的智能预测是将来过氧化物酶体工程研究的重点方向之一。过氧化物酶工程还在人造碳固定途径的创建中具有潜力，可用于创建人工高效固碳生物。
论文作者介绍
潘荣辉
研究员
潘荣辉，浙大“百人计划”研究员、博导、现代种业研究所副所长，兼任浙大杭州国际科创中心合成生物所PI。研究方向是植物能量细胞器代谢网络与代谢工程，以及主要作物中过氧化物酶体在种子和抗逆方面的生理功能。以通讯作者在Trends in Biotech、Developmental Cell（in production）、aBiotech（in production）、Plant J、JIPB、Crop J等期刊发表论文，第一作者论文发表于PNAS、Plant Cell、New Phyto、Plant J等期刊。入选浙大/唐仲英基金会“仲英青年学者”、浙大杭州国际科创中心“青年人才卓越计划”、浙江省“领军型创新团队”等，担任Crop Design期刊编委，参与出版《种子学》、《植物生物技术》等教材，以及《Subcellular Biochemistry》、《Methods in Photorespiration》等专著。
连佳长
研究员
连佳长，浙江大学化学工程与生物工程学院研究员，博士生导师，生物质化工教育部重点实验室副主任，入选国家级青年人才计划，浙江省杰出青年基金获得者。主要从事酵母细胞工厂的设计与创建研究。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、浙江省杰出青年基金等研究项目，共发表论文60余篇，包括Nature Synthesis、Nature Communications、Nucleic Acids Research、Metabolic Engineering、ACS Synthetic Biology、Biotechnology and Bioengineering等。受邀担任BioDesign Research、Frontiers in Microbiology、BMC Biotechnology以及《合成生物学》等期刊编委。
相关论文信息
相关研究发表在Cell Press细胞出版社
旗下期刊Trends in Biotechnology，
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▌论文标题：
Peroxisome-based metabolic engineering for biomanufacturing and agriculture
▌论文网址：
https://www.cell.com/trends/biotechn-ology/fulltext/S0167-7799(24)00034-9
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2024.02.005
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