酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）作为生物制造的“明星细胞工厂”，其固有的“Crabtree 效应”在高糖条件下将90%以上碳源转化为乙醇，严重限制了其他目标产物的高效合成。传统代谢通量调控策略常伴随生长缺陷、代谢失衡等问题，影响目标产物的最终生产效率。光遗传学工具因其非侵入性、高时空分辨率和可逆调控的特点，为动态调控代谢途径提供了新的思路。

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所张燕飞研究员、赵国屏院士研究团队在酿酒酵母代谢通量动态调控领域取得重要进展。研究团队以酿酒酵母丙酮酸脱羧酶Pdc1为研究对象，开发了一种蛋白质层面的光遗传学调控工具OptoPdc1，通过蓝光/黑暗切换直接调控糖酵解途径的关键酶—丙酮酸脱羧酶的催化活性，实现了对酿酒酵母代谢通量的快速、可逆、高效调控（图1）。

研究团队通过理性设计与光控蛋白质工程化改造（Optoprotein Engineering），引入蓝光响应元件AsLOV2结构域，构建了多种响应蓝光的突变体OptoPdc1，通过蓝光与黑暗切换，可精准调控丙酮酸脱羧酶的催化活性。基于OptoPdc1，研究团队成功构建了光控酿酒酵母菌株Opto-S.cerevisia，实现了通过蓝光对细胞生长与乙醇合成的高效调控。在蓝光照射下，光控酿酒酵母菌株对乙醇生物合成的动态调控范围高达120倍，且乙醇产量与蓝光强度呈现依赖关系，展现出精准代谢控制的潜力（图2）。该研究为酿酒酵母代谢通路调控提供了全新的蛋白质层面策略，也为乙醇代谢的快速、可逆、高效调控提供了创新工具。

研究团队进一步将Opto-S.cerevisia菌株应用于异丁醇合成的代谢通量控制。在不同蓝光脉冲模式下，异丁醇的合成滴度可实现响应式调节，光控菌株在蓝光脉冲下的异丁醇产量可达非光控菌株的120%（图3）。该光控酿酒酵母代谢调控系统以OptoPdc1为核心元件，具有组分简单、响应迅速、调控可逆等优势。在黑暗条件下可以实现稳定的细胞生物量的积累，通过施加连续或脉冲式蓝光照射，即可抑制乙醇合成，从而为依赖高效呼吸代谢的生物合成途径（例如萜类、黄酮类化合物等）创造了更有利的代谢环境，并提供了一种可靠的调控手段。

该工作得到国家自然科学基金、天津市合成生物技术创新能力提升行动以及中国科学院战略性先导科技专项的支持。相关成果已发表于国际学术期刊ACS Synthetic Biology，并申请专利1项。中国科学院天津工业生物技术研究所博士后刘美子、天津科技大学与天津工生所联合培养硕士陈云虹为论文的共同第一作者，张燕飞研究员和赵国屏院士为共同通讯作者。

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图1 光控酿酒酵母代谢调控系统示意图

图2 利用蓝光对乙醇合成进行动态调控

图3 利用蓝光对异丁醇合成进行动态调控