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多不饱和脂肪酸（Polyunsaturated fatty acids, PUFAs）是构成细胞膜的重要结构成分，具有重要的生理功能。其中，具有代表性的ω-3型多不饱和脂肪酸二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA），是人体自身不能直接从头合成又不可缺少的重要营养素。EPA被誉为“血管清道夫”，具有调节血脂、降低血液粘稠度、预防血栓形成等生理活性，DHA是大脑和视网膜组织中磷脂的重要组成物质，它们对促进人体的健康具有重要的意义。目前人们获取EPA/DHA产品的主要途径是通过海洋渔业资源提取（例如鱼油），然而，随着海洋渔业资源的日益耗竭、以及海洋环境的逐年恶化，传统来源的EPA/DHA产品面临着资源难以持续、污染风险大和感官品质低等问题。因此，研究开发新的EPA/DHA资源具有巨大的应用前景。裂殖壶菌（Aurantiochytrium sp.）是目前工业化发酵生产PUFAs的代表性物种之一，它具有高生物量、高油脂含量、易培养等特点。2010年，利用裂殖壶菌生产的DHA藻油被我国卫生部批准为新资源食品，其食品安全性已得到广泛的认证。但是由于裂殖壶菌作为一种非模式真核生物，其遗传操作体系还不完善，人们对其油脂合成路径的理解也非常有限，成为进一步通过代谢工程提升和改良其油脂产量和品质的主要障碍。
青岛能源所代谢物组学研究组长期以来致力于裂殖壶菌的遗传改造、作用机制及代谢工程研究，通过人工改造裂殖壶菌提高其EPA/DHA产量，用于补充现有PUFAs产品的不足。近日，该研究组基于病毒2A肽自剪切的特点，成功开发了基于2A肽的裂殖壶菌的多基因表达体系，实现了裂殖壶菌的多基因表达（图1A），并利用该体系将外源的EPA合成基因簇在裂殖壶菌中进行异源表达，使得EPA产量提高5倍。该成果被食品科学领域的知名期刊Journal of Agriculture and Food Chemistry以内封面文章的形式报道（图1B）。同时，该研究组通过生物信息学方法首次鉴定到特异性作用于裂殖壶菌PUFA合成途径的磷酸泛酰巯基乙胺基酰基转移酶（Phosphopantetheinyl transferase，PPTase）。通过生理生化实验确定该PPTase的功能特性，并将其在裂殖壶菌中进行过表达，使得裂殖壶菌的DHA和PUFA产量分别提高36%和18%（图2）。相关成果也已发表于Biotechnology for Biofuels。
基于2A肽的多基因表达系统克服了裂殖壶菌在遗传操作工具不足难以进行多基因共表达的困难，这一成果为裂殖壶菌的遗传改造提供了新的技术手段，同时也为其他真菌中多基因共表达提供了范例。作用于裂殖壶菌PUFA合成途径的PPTase的发现，加深了人们对裂殖壶菌PUFA合成的理解，为进一步的遗传改造提供了新的靶点。这些成果展示了裂殖壶菌可以作为PUFA生产的底盘细胞，具有巨大的代谢工程开发潜力。
以上工作由代谢物组学研究组完成，崔球研究员和宋晓金副研究员为通讯作者。以上工作得到了国家重点研发计划、山东省自然科学基金重大基础研究项目资助。（文/图 王森 宋晓金）
图1. 高产EPA的裂殖壶菌细胞工厂构建 A基于2A肽的裂殖壶菌多基因表达体系构建；B内页封面图案
图2. 发酵检测裂殖壶菌中的总油脂（TLs）和DHA产量
原文链接：
1. Wang, S., et al., Optimizing eicosapentaenoic acid production by grafting a heterologous polyketide synthase pathway in the Thraustochytrid Aurantiochytrium. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2020. DOI: 10.1021/acs.jafc.0c04299.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.0c04299
2. Wang, S., et al., PUFA-synthase-specific PPTase enhanced the polyunsaturated fatty acids biosynthesis via the polyketide synthase pathway in Aurantiochytrium. Biotechnology for Biofuels. 2020. DOI: 10.1186/s13068-020-01793-x.
https://biotechnologyforbiofuels.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13068-020-01793-x
