文章题目：酵母细胞工厂的线粒体工程策略
Mitochondrial engineering strategies in yeast cell factories.
致谢：感谢刘立明教授对本文的悉心指导！
微生物合成生物学正推动绿色生物制造实现产业化突破，酵母作为成熟真核底盘，已实现法尼烯、白藜芦醇、檀香烯、亚精胺等大宗与高附加值化学品量产。相较于细胞质、过氧化物酶体等细胞器，线粒体因兼具能量供给、前体合成、独特微环境三大核心功能，成为改造酵母合成通路的“黄金细胞器”。
长期以来，线粒体工程在酵母细胞工厂领域缺乏系统性梳理，江南大学刘立明教授团队2026年发表于Trends in Biotechnology的综述《Mitochondrial engineering strategies in yeast cell factories
》，系统归纳三大线粒体改造策略：线粒体代谢通路重编程、线粒体稳态维持、区室化合成优化，剖析当前技术瓶颈并指明未来工业化发展方向。本文基于该综述核心内容，拆解线粒体赋能酵母合成的底层逻辑与工程化手段，为合成生物学底盘改造提供清晰学术参考。
刘立明教授，博士生导师，教育部长江学者计划特聘教授。主要从事微生物发酵工程的研究与教学工作。作为负责人先后负责国家重点研发计划、国家自然科学基金(重点、优青、面上)项目、江苏省前沿科技引领等国家或省部级项目20余项。在Nat Catal, Nat Commun, Metab Eng, Chem Rev,微生物学报、生物工程学报等国内外生物工程类主流学术期刊上发表学术论文260余篇，其中SCI论文200余篇(最高IF=70)、授权发明专利120余项、出版科技著作6部。研究成果获国家技术发明二等奖(第三)、教育部科技进步一等奖(第一)、中国石油与化学工业联合会科技进步一等奖(第一)、江苏省科学技术二等奖(第一)等。
核心关键点总览
线粒体从三个核心维度支撑酵母细胞工厂的化学生产：一是代谢供给，通过产能通路提供ATP与还原力，通过非产能通路合成支链氨基酸、鸟氨酸等前体，兼顾细胞生长与产物合成；二是活力维持，依托稳态系统修复、清除受损线粒体，抵御氧化应激与活性氧诱发的类凋亡，保障菌体生产性能；三是微环境优势，内部高氧化还原电位、偏碱性pH可隔离竞争通路、富集酶与中间体，显著提升萜类、醇类合成通量。
线粒体相关的三大改造策略：重编程线粒体代谢通路，精准调控碳流与辅酶分配；通过强化抗氧化系统缓解线粒体损伤，同时通过融合、分裂、自噬、生物发生等线粒体质量控制过程修复线粒体损伤；优化线粒体区室化，攻克靶向效率、辅酶失衡、代谢负担、容积不足四大工程难题。
当前仍存在静态改造缺乏动态调控、单细胞级监测技术缺失、非常规酵母适配工具不足、区室化合成未实现工业化等瓶颈。未来将从原位细胞器传感、底盘专属工具开发、AI辅助多尺度设计三方面实现突破。
图1.酵母化学生物合成中的多面线粒体作用
结果与讨论：
1、重编程线粒体代谢通路以调控代谢原料供给
线粒体产能通路负责生成ATP，非产能通路合成支链氨基酸、鸟氨酸等合成前体，两类通路改造方向随产物需求区分。针对低能耗产物，可通过减少线粒体丙酮酸摄取、弱化TCA循环等方式抑制产能通路，减少碳源呼吸损耗，提升乳酸、琥珀酸、衣康酸产量；针对高能耗产物，则通过上调呼吸链蛋白、补充溶氧、缓解克拉布特里效应三条途径强化产能供给，保障合成所需能量与还原力。但过度扰动产能通路会打破细胞能量平衡，需开发动态调控手段平衡生长与产物合成。
线粒体非产能通路普遍存在终产物反馈抑制，制约合成通量。改造手段分为两类：一是传统代谢工程，通过通路过表达、阻断副产物、优化转运蛋白提升鸟氨酸等前体产量；二是蛋白定点突变解除酶反馈抑制，或下调抑制性代谢物积累，大幅提高支链醇、鸟氨酸产量。
当前两类通路改造仍存在系统层面瓶颈，未来需结合多组学定位专属限速节点、多点解除反馈抑制、开发新型转运蛋白，并在线粒体产能与非产能通路间合理分配代谢通量，从系统层面提升酵母整体生物合成效率。
图2.重组线粒体代谢途径，调节代谢资源供应
2、维持线粒体稳态以提升细胞活力
线粒体代谢改造虽能提升合成效率，但易扰乱代谢平衡、诱发氧化应激，损伤线粒体并降低细胞活力，因此维持线粒体稳态是优化酵母细胞工厂的核心思路，主要分为抗氧化调控、线粒体质量控制两大体系。
抗氧化调控包含两种互补方案：一是强化活性氧清除系统，过表达SOD、过氧化氢酶等内源抗氧化酶可直接降解ROS，也可构建异源人工解毒模块抵御高温、产物带来的氧化损伤；二是扩充谷胱甘肽、硫氧还蛋白构成的氧化还原缓冲池，温和缓冲瞬时活性氧累积。活性氧兼具应激损伤与信号调控双重作用，瞬时胁迫优先选用缓冲池策略，持续重度胁迫则需强化清除系统或二者联用。
酵母依靠融合、分裂、线粒体自噬、线粒体生物发生组成质量控制系统，分层修复、隔离、清除受损线粒体。对应的改造手段有四类：上调融合相关基因稀释损伤组分；过表达分裂基因隔离受损区域；解除Atg32抑制以强化线粒体自噬、清除故障线粒体；激活HAP复合物促进线粒体新生。上述改造均能提升多种产物产量，但过度激活质控通路会干扰核心代谢、抑制产物合成，需精准调控。
综上，抗氧化体系与线粒体质控系统协同作用可缓解氧化损伤、保障细胞活力，但现有改造多为静态基因编辑，仅单纯增强通路活性存在弊端，后续需实现质控通路的精细化平衡调控，稳定维持线粒体功能以提升发酵生产性能。
图3.维持线粒体稳态以提升细胞活力
3、优化线粒体区室化以推动化学生物合成
线粒体可为生物合成通路提供专属胞内微环境，自埃尔利希通路靶向线粒体实现异丁醇增产以来，线粒体区室化技术已广泛应用于酵母细胞工厂的化学品合成，但仍存在通路活性不足、代谢负担与产物毒性引发生长缺陷、线粒体反应容积有限三大核心制约，当前优化工作主要围绕三个方向展开。
一是提升线粒体内通路催化活性。靶向序列竞争导致的导入效率低、线粒体内NADPH供给不足引发的辅酶错配是两大限速因素。对应优化路径包括：扩充线粒体靶向序列工具库，通过筛选天然序列与机器学习设计非天然序列两类方式，分别适配简单通路与复杂多酶体系，显著提升萜类、有机酸产量；过表达关键酶强化线粒体内NADPH再生，缓解辅酶失衡。目前该领域缺少通路活性直接定量检测方法，多依赖产物浓度间接评判。
二是平衡代谢负担与细胞毒性。可通过三类策略破解生长缺陷：多细胞器并行定位分散代谢压力；靶向过表达下游酶加速毒性中间体转化；采用两段式诱导发酵，分离菌体生长期与产物合成期。三类方案均能有效恢复生物量，提升产物积累水平。
三是扩增线粒体反应容积。线粒体体积受细胞大小、碳源代谢状态、形态调控基因三重影响，其中编辑形态调控基因是主流应用手段，敲除MDM32可显著扩容并提升萜类产物产量。但扩容需严格把控尺度，过度扩张会破坏线粒体稳态，后续需开发动态调控方案实现可控扩容。
图4 优化线粒体的分隔
结论与未来展望：
线粒体代谢重编程、稳态维持、区室化优化三大改造策略，可显著提升酵母细胞工厂的化学品合成能力，但当前酵母线粒体工程仍面临多重技术与理论瓶颈，未来可从三大方向实现突破。
一是搭建高精度检测体系与细胞器级代谢模型。针对现有全细胞模型过度简化、组学数据难整合、线粒体离体提取易失真的问题，开发原位代谢传感、低损伤分离技术，结合机器学习构建预测模型，推动改造由试错式向理性设计转型。
二是面向解脂耶氏酵母等非常规工业酵母，开发适配性线粒体改造工具与调控机制，满足克拉布特里阴性菌株的代谢稳态需求。
三是推动线粒体区室化技术工业化，通过分阶段通路调控、AI多尺度正交设计，降低外源通路对线粒体内源功能的干扰，突破发酵放大瓶颈。
目前仍存在静态调控易扰乱代谢平衡、稳态监测手段存在操作干扰等问题，逐一破解后将充分释放线粒体工程的绿色生物制造应用潜力。
文献信息：
Shuo Yang, Cong Gao, Guipeng Hu, Xiaomin Li, Liming Liu, Mitochondrial engineering strategies in yeast cell factories, Trends in Biotechnology, 2026, ISSN 0167-7799, https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2026.07.007.
