多不饱和脂肪酸尤其是二十碳五烯酸（EPA）是一种对人体健康至关重要的脂肪酸，具有抗炎、促进大脑发育等多种生理功能。然而，传统的 EPA 来源（如鱼油）存在可持续性和环境问题，因此迫切需要开发替代的生产方法。

近日，美国马萨诸塞大学洛厄尔分校 Dongming Xie、德克萨斯大学 Hal S. Alper等人发表于 ACS Engineering Au 的一篇题为“Metabolic Engineering of Yarrowia lipolytica for Conversion of Waste Cooking Oil into Omega3 Eicosapentaenoic Acid”的研究中，研究团队通过代谢工程改造解脂耶氏酵母，成功实现了利用废弃食用油（WCO）高效生产 Omega-3 多不饱和脂肪酸，尤其是 EPA。

Dongming Xie 的研究重点是代谢工程、生物过程工程和连续生物制造。他曾在杜邦担任首席科学家，带领发酵工程团队将 Omega-3 项目商业化，为该公司带来了两种新的商业产品。

解脂耶氏酵母作为一种产油酵母，具有天然的脂质积累能力，尤其是在营养限制条件下，能够高效合成单细胞油脂、生物柴油和 Omega-3 脂肪酸，成为可持续生产EPA的理想候选者。

此前，杜邦已经开发出一株能够从葡萄糖中高效生产 EPA 的解脂耶氏酵母菌株 Y8412，其 EPA 产量占其总脂质的 56%。然而，葡萄糖作为碳源的转化效率较低，且成本较高。因此，本研究在此基础上提出利用废弃食用油作为碳源，通过代谢工程改造解脂耶氏酵母，实现 EPA 的高效生产。

研究人员发现，共同喂养 WCO 会导致细胞密度和总脂质含量增加，但 EPA 产量反而下降。原因是 WCO 的加入导致细胞内游离脂肪酸（FFA）水平显著升高，这对细胞有毒性，抑制了 EPA 的合成。因此研究团队对解脂耶氏酵母 Y8412 进行了代谢工程改造，以优化其脂质代谢途径。

研究人员首先过表达了促进 FFA 转化为甘油三酯（TAG）的基因 FAA1 和 GPD1，并敲除了编码脂酶的基因 TGL3 和 TGL4，以减少 TAG 降解回释到细胞内的 FFA。

他们发现，过表达 FAA1 和 GPD1 基因虽然能够提高甘油三酯的合成，但单独敲除 TGL4 基因的效果更为显著。这表明，防止甘油三酯降解为 FFA 比单纯提高甘油三酯合成更为有效。此外，研究团队还发现，TGL3 和 TGL4 双敲除菌株的 EPA 产量并未进一步提高，表明维持一定水平的 FFAs 对 EPA 合成和细胞活力至关重要。

最终，研究团队通过分批补料发酵实验，验证了改造后的菌株在利用 WCO 生产 EPA 方面的潜力。实验结果显示，改造后的菌株在 WCO 和葡萄糖共培养条件下，细胞密度和总脂质含量显著提高。特别是 TGL4 敲除菌株 Y8412T4-，其 EPA 产量从仅使用葡萄糖的 2.8g/L 增加到了 4.4g/L，比仅使用葡萄糖培养的亲本菌株 Y8412 提高了 57%。此外，改造后的菌株在 WCO 利用方面表现出色，成功将 WCO 中的脂肪酸转化为 EPA，碳转化效率增加了近 50%。

总而言之，本研究为利用废弃食用油生产 Omega-3 脂肪酸提供了一种高效、可持续的方法，并展示了代谢工程在天然产物合成中的巨大潜力。未来，随着基因编辑、合成生物学和人工智能等技术的进一步发展，研究人员有望通过优化脂肪酸合成途径和发酵工艺，进一步提高 EPA 的产量和纯度，推动其在医疗、保健和食品领域的广泛应用。

参考文献：

1.https://doi.org/10.1021/acsengineeringau.4c00053

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