近日，我校生物工程學院蔡孟浩課題組在畢赤酵母合成生物系統方面取得重要進展，通過設計靈活可控的新型人工轉錄器件庫，實現了天然藥物合成途徑的精細表達控制，相關成果以“Yeast transcriptional device libraries enable precise synthesis of value-added chemicals from methanol”為題，在線發表于Nucleic Acids Research（《核酸研究》IF=19.610）。

合成生物學技術的快速發展，推動了微生物細胞工廠在生物制造和生物醫藥領域的廣泛應用。針對具有不同生理特性的微生物底盤宿主進行個性化設計和改造，可以滿足多樣化的生產場景和需求。例如，甲醇作為煤化工主要副產物和二氧化碳直接氧化產物，來源廣泛、成本較低、還原度高，具備成為工業生物制造中新型碳源底物的潛力，已引起工業生物界的廣泛關注。而開發能代謝利用甲醇的微生物作為底盤宿主用于高附加值產品的生產，已成為合成生物學的研究熱點之一。

巴斯德畢赤酵母因其高效的甲醇同化代謝、較完善的翻譯后修飾和易于高密度發酵等諸多優勢，已在學術界和工業界得到廣泛關注，應用于異源蛋白表達以及小分子化學品的生物合成，逐步成為蛋白表達的優選宿主和天然產物合成的高潛力底盤。在畢赤酵母中高效合成復雜結構化合物，需要對產物合成途徑的大量基因進行精細化表達調控。然而，與模式宿主如釀酒酵母、大腸桿菌等相比，畢赤酵母作為非常規酵母，仍然缺乏豐富、有效的基因表達調控工具。

該研究中，作者在前期設計轉錄增益裝置的基礎上(Science Advances, 2022, 8:eabl5166)，進一步分析畢赤酵母轉錄調控機制并重構轉錄調控遺傳線路，對不同來源和功能的DNA結合蛋白、結合序列、轉錄因子激活域等特定功能元件進行組合設計，構建了一套輸出強度呈連續變化的組成型人工轉錄器件庫cTRDL，庫容量達到126個，強度為商業化畢赤酵母P_AOX1的16%~520%，整體差異倍數達到32.5倍。在此基礎上，通過篩選合適強度范圍的甲醇誘導型啟動子作為輸入啟動子，適配人工轉錄調控核心組件，進一步構建了一套輸出強度呈連續變化的甲醇誘導型人工轉錄器件庫iTRDL，庫容量達到162個，強度為P_AOX1的30%~500%，整體差異倍數達到16.7倍。理論上，兩套具有不同調控模式、輸出強度連續變化、強度跨度大的人工轉錄器件庫，可為畢赤酵母中重組蛋白表達和復雜小分子產物合成提供更多可選的工具和更為靈活的調控模式。

在此基礎上，作者選用降血脂上市藥物中間體莫納可林J作為報告化合物，進一步檢驗了人工轉錄器件庫cTRDL和iTRDL在復雜藥物分子合成途徑重構和調控中的應用成效。以甲醇為底物，選擇iTRDL來源的器件適配平衡上游的聚酮合成模塊，通過正交設計成功實現中間產物二氫莫納克林L的高效合成，產量和產率達到相同培養條件和相同基因劑量下P_AOX1表達模式的5.5倍和9.3倍。進一步，選擇cTRDL和iTRDL來源的器件分別適配平衡下游氧化過程模塊，通過全因子設計對整個途徑的6種關鍵酶進行優化適配和非交互調控，最終實現了模塊內和模塊間的優化平衡，大幅度提升了目標產物莫納可林J的合成能力，產量和產率達到相同培養條件和相同基因劑量下P_AOX1表達模式3.0倍和5.0倍，且優于P_AOX1表達模式的多拷貝基因劑量優篩菌株的產物合成能力，展現了作者所構建的人工器件庫的精細調控、靈活可控、高效表達的特性。

總體而言，該研究基于合成生物學工程化設計理念，開發了畢赤酵母新型人工轉錄器件庫并實現多酶途徑的精細表達控制，為其他高附件值復雜結構天然藥物及化學品的生物合成提供了新的思路和策略，進一步拓展了畢赤酵母在合成生物學及代謝工程領域的應用潛力。

該論文第一作者為博士生朱巧云，通訊作者為蔡孟浩副教授，研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市青年科技啟明星、上海市細胞代謝光遺傳學技術前沿科學研究基地等項目的資助。