出品：科普中国

作者：Denovo团队

监制：中国科普博览

酵母是我们生活中最为熟悉的微生物之一，蒸馒头和烤面包用面包酵母，酿造啤酒用啤酒酵母。除此之外，还有很多稀奇古怪的酵母，比如能够“吃”甲醇高产蛋白的酵母（如巴斯德毕赤酵母），以及“吃”木糖疯狂长身体的酵母（如多形汉逊酵母）。

未来还会产生有更多功能的新酵母吗？科学家们的回答是：当然！

酵母就是一个细胞工厂

在了解科学家如何“创造”更多新酵母之前，我们先来看看酵母是怎么“工作”的。

面包酵母和啤酒酵母虽然都属于酿酒酵母，但面包酵母的特长是“吃糖产气”，产生的二氧化碳使馒头或面包多孔、松软；而啤酒酵母的特长是“吃糖产酒精”，当然还会产生其他少量香气成分，从而使酒水具有各种风味。

干酵母（图片来源：Veer图库）

我们以酿酒酵母“吃葡萄糖产乙醇”为例，把酵母看作一个工厂，葡萄糖就是原料，原料运输到工厂（也就是酵母细胞内），在不同“车间”中加工，一步一步转化为产品——乙醇和二氧化碳。

酵母细胞（图片来源：Veer图库）

我们目前所拥有的酵母虽然品种多样，但我们还想要拥有功能多样且具有高性能的酵母。

要想拥有更多种类的酵母，重点就在于改造“工厂”。科研工作者想到的办法就是基因编辑。改变酵母工厂的设计图纸（酵母细胞的基因序列），从而改造工厂布局，然后根据新图纸调整“车间”的数量和功能。

基因编辑相当于使用一把自带导航功能的剪刀，可以根据人为设定，精确地在酵母染色体的相应位置切出一个缺口，然后通过目标DNA序列修复缺口，从而达到基因编辑的作用。

基因工程师对基因进行人为修改（图片来源：Veer图库）

很多科学家做酵母方面的研究，如美国科学院院士Jay Keasling教授团队通过改造酿酒酵母，合成了抗疟疾药物青蒿素的前体——青蒿酸，为全球范围内治疗疟疾作出重要贡献，也证明了酵母“大有所为”。

酵母：去整点葡萄糖来吃吃

我们在上面的例子里提到的酵母，都是在“吃”了葡萄糖之后才开始发挥作用的，葡萄糖是酵母最喜欢“吃”的“食物”。

然而，葡萄糖主要来源于粮食，把葡萄糖给酵母“吃”意味着酵母会与人争粮食。有什么办法可以在不减少粮食的情况下“喂饱”酵母呢？

这就是科学家们正在考虑的问题。

近年来，国家鼓励大力发展非粮生物质资源，其中就包含木质纤维素。

虽然“木质纤维素”这一名词听起来可能有些陌生，但它是一种非常普遍且易于获取的物质，是木材和农作物秸秆的主要结构组成部分。它是一个复杂而多元的“大家庭”，主要由三个关键元素构成。

纤维素是葡萄糖组成的“大个头”多糖，植物细胞壁的主要成分，是自然界中分布最广、含量最丰富的多糖之一；半纤维素是多种不同类型的单糖构成的“聚合体”,它在细胞之间形成了一种坚固的纤维状网络，实现了细胞之间的紧密连接；木质素则是构成植物细胞壁的成分之一，它作为纤维的“支架”强化了整个木质纤维素的结构。

木质纤维素是一种极具价值的天然可再生资源，具有广泛的应用潜力，可以作为生物发酵、生物化工的原料。

是的，它可以是酵母的营养来源。

一种坚固、可生物降解和可回收的木质纤维素生物塑料（图片来源：参考文献[5]）

然而，由于其结构非常稳定，很难被直接利用。因此，需要通过特定的处理方式，例如使用强酸或强碱，来分解纤维素和半纤维素为其基础单糖成分（如葡萄糖和木糖），这些基础单糖就可以被某些酵母直接利用了。

不过，这并不是说现在培养酵母就可以完全舍弃粮食而使用木质纤维素，原因主要在于木质纤维素需要水解变为单糖才能为酵母所利用，而制备水解液的成本还是比较高的，并且水解液中除了主要成分葡萄糖和木糖外，还有一些抑制物成分（如糠醛、呋喃等），对酵母生长具有一定的抑制作用。所以，目前利用木质纤维素水解液进行微生物发酵并未得到广泛应用。

“一箭三雕”喂饱酵母

酵母最爱“吃”葡萄糖，当葡萄糖和木糖同时存在时，酵母优先吃葡萄糖，等葡萄糖吃完才会吃木糖，这就使得酵母利用木质纤维素水解液的速度比较慢。

如何能让酵母高效利用木质纤维素水解液呢？

近期，中国科学院周雍进研究员团队通过基因工程改造了多形汉逊酵母，在不影响葡萄糖消化速度的前提下，加强了酵母对木糖的吸收和消化速度，从而实现了葡萄糖和木糖的同步利用，提高了多形汉逊酵母对于木质纤维素水解液的利用效率，并通过改造多形汉逊酵母合成了脂肪酸和3-羟基丙酸。

中国科学院实现木质纤维素生物炼制高效合成脂肪酸和3-羟基丙酸（图片来源：中国科学院周雍进研究员团队）

相比可以形成油脂的脂肪酸，3-羟基丙酸这个词对我们来说比较陌生。

其实，3-羟基丙酸可以作为很多化学品的原料，例如3-羟基丙酸可以聚合为聚-3-羟基丙酸，它作为可降解塑料，如果大量使用可以缓解“白色污染”；3-羟基丙酸还可以脱水形成丙烯酸，进一步可以制备成丙烯酸树脂，而丙烯酸树脂就是装修涂料和油漆的主要成分，这些都与我们的生活密切相关。

多形汉逊酵母利用木质纤维素原料高效合成脂肪酸和3-羟基丙酸示意图（图片来源：中国科学院周雍进研究员团队）

我国科学家通过木质纤维素生物炼制生产脂肪酸和3-羟基丙酸，木质纤维素作为非粮生物质，与传统的葡萄糖生物炼制相比，能够避免“与人争粮”，而且减少秸秆、废木材直接燃烧造成的大气污染，可谓“一箭三雕”。

结语

酵母细胞工厂在科学研究中显示出了极高的应用价值，科学家通过精准的基因编辑技术改造酵母，合成了一系列高附加值产品，如生物燃料、精细化学品、香料和食品添加剂等。然而传统的以葡萄糖为原料的生物炼制可能出现与人争粮的困境，为了应对这一困境，改造后的酵母能够有效利用木质纤维素水解液中的葡萄糖和木糖，同时也响应国家发展非粮生物质的号召。

实验研究已经展示了通过改造多形汉逊酵母利用葡萄糖和木糖合成脂肪酸和3-羟基丙酸可行性，证明了木质纤维素生物炼制的巨大潜力。随着科学界和产业界不懈努力，未来木质纤维素将被广泛应用于更多产品的生产过程中，为我国生物化工产业的可持续发展提供强有力的支持。

参考文献：

[1] Cao X., Yu W., Chen Y., Yang S., Zhao Z.K., Nielsen J., Luan H.W., Zhou Y.J. Engineering yeast for high-level production of diterpenoid sclareol, Metab. Eng., 2023, 75, 19-28.

[2] Cao C.Y., Cao X., Yu W., Chen Y.X., Lin X.P., Zhu B.W., Zhou Y.J. Global metabolic rewiring of yeast enables overproduction of sesquiterpene (+)-valencene, J. Agric. Food Chem., 2022, 70(23), 7180-7187.

[3] Ye M., Gao J.Q., Zhou Y.J. Global metabolic rewiring of the nonconventional yeast Ogataea polymorpha for biosynthesis of the sesquiterpenoid β-elemene, Metab. Eng., 2023, 76, 225-231.

[4] Ro D.K., Paradise E.M., Ouellet M, Fisher K.J., Newman K.L., Ndungu J.M., Ho K.A., Eachus R.A., Ham T.S., Kirby J., Chang M, Withers S.T., Shiba Y., Sarpong R., Keasling J.D. Production of the antimalarial drug precursor artemisinic acid in engineered yeast, Nature, 2006, 440, 940-943.

[5] Xia Q., Chen C.J., Yao Y.G., Li J.G., He S.M., Zhou Y.B., Li T., Pan X.J., Yao Y., Hu L.B. A strong, biodegradable and recyclable lignocellulosic bioplastic, Nat. Sustain., 2021, 4, 627-635.

[6] Gao J.Q., Yu W., Li Y.X., Jin M.J., Yao L., Zhou Y.J. Engineering co-utilization of glucose and xylose for chemical overproduction from lignocellulose, Nat. Chem. Biol., 2023. (doi:10.1038/s41589-023-01402-6)

[7] Yu W., Cao X., Gao J.Q., Zhou Y.J. Overproduction of 3-hydroxypropionate in a super yeast chassis, Bioresour. Technol., 2022, 361, 127690.

来源: 中国科普博览

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