产油微生物油脂生物合成与代谢调控研究进展

45卷1期2005年2月微生物学报ActaMicrobiologicaSinicaVol.45FebruaryNo.120053通讯作者。TelΠFax:862411284379211;E2mail:zhaozb@dicp.ac.cn作者简介:刘波(1969-),女(回族),河北省人,副研究员,硕士,研究方向为微生物及发酵工程。收稿日期:2004205224,修回日期:2004211208产油微生物油脂生物合成与代谢调控研究进展刘波孙艳刘永红赵宗保3(中国科学院大连化学物理研究所生物技术部大连116023)摘要:自然界中少量微生物在适宜条件下产生并贮存质量超过其细胞干重20%的油脂,具有这种表型的菌种称为产油微生物。产油微生物利用可再生资源,得到的微生物油脂与植物油脂具有相似的脂肪酸组成,有的还含有丰富的多不饱和脂肪酸,具有广阔开发应用前景。简要介绍了产油微生物的种类和代谢特点,较详细地阐述了微生物产油机制和代谢调控途径的最新研究进展,并对微生物油脂研究的未来发展方向提出了初步见解。关键词:产油微生物,微生物油脂,生物合成,代谢调控中图分类号:Q93919文献标识码:A文章编号:000126209(2005)0120153204利用微生物生产油脂的研究最早可追溯到第一次世界大战期间,当时德国曾准备利用内孢霉属(Endomyces)和单细胞藻类镰刀属(Fusarium)的某些菌种生产油脂以解决食用油匮乏问题。随后美国、日本等国也开始研究微生物油脂的生产。第二次世界大战前夕,德国科学家筛选到了适于深层培养的菌种,并进行规模生产。后来发现利用微生物生产普通油脂成本太高,无法与动、植物来源的油脂相竞争。有关微生物油脂的探索此后一度集中在获取功能性油脂,如富含多不饱和脂肪酸的油脂。近年来,随着现代生物技术的发展,已获得更多具有高产油能力或其油脂组成中富含稀有脂肪酸的产油微生物资源,提高了微生物产油的效率。日本、德国、美国等国目前已有商品菌油面市。同时,在油脂积累代谢调控的分子机制方面也取得了一些重要成果。更重要的是,随着人类社会资源压力和环境问题日益突出,通过微生物转化可再生资源生产油脂及其它相关代谢产品,部分替代化石资源,将是可持续发展的必然。因此,进一步探索有关微生物积累油脂具有重要的现实意义。本文拟简要介绍产油微生物的种类和特征、微生物油脂生物合成途径及其代谢调控机制等方面的最新研究进展,并对微生物油脂研究的未来发展方向进行展望。1产油微生物及微生物油脂概述某些微生物在一定条件下能将碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂等碳源转化为菌体内大量贮存的油脂,如果油脂含量能超过生物总量20%,即称为产油微生物(Oleaginousmicroorganisms)[1]。相应地,从产油微生物中提取的油脂称为微生物油脂,又称为单细胞油脂。细菌、酵母、霉菌、藻类中都有产油菌株,但以酵母菌和霉菌类真核微生物居多。在酵母、霉菌等真核微生物中,某些产油种属能积累占其生物总量70%以上的油脂,其中以甘油三酯(Triacylglycerol,TAG)为主,约占80%以上,磷脂约占10%以上。TAG的主要功能普遍认为是作为碳源和能源的储备化合物,因它具有比碳水化合物和蛋白质高的热值,一经氧化将产生很高的能量。另外还具有维持膜结构完整和正常功能的作用。TAG在能量贮存和能量平衡上占有重要的地位,与游离脂肪酸相比,其具有低生物毒性,因而为不同种类的脂肪酸提供了合适的贮存形式。产油微生物资源丰富,能在多种培养条件下生长,进行工业规模生产和开发有着巨大的潜力。目前,微生物油脂已成为获取高附加值脂肪酸[2],如γ-亚麻酸(GLA)[3]、花生四烯酸(ARA)[4]、二十碳五烯酸(EPA)[5]、二十二碳六烯酸(DHA)[6]等的重要原料。最近希腊学者PapanikolaouS.等报道利用M.isabellina进行高浓度糖发酵(初始糖浓度达100gΠL),油脂产量达到1811gΠL,显示出很好的应用前景[7]。而且,由于某些微生物油脂在脂肪酸组成上同植物油,如菜籽油、棕榈油、大豆油等相似,富含饱和和低度不饱和的长链脂肪酸,是生产生物柴油(Bio2diesel)的潜在原料。2微生物油脂的生物合成与代谢调控机理211微生物油脂的生物合成生物合成TAG是在动、植物和微生物界广泛存在的多酶催化过程,属初级代谢的一部分。目前研究表明[8],TAG的合成代谢中关键的两个中间产物是磷脂酸(PA)和甘油二酯(DAG)。酿酒酵母(S.cerevisiae)细胞中PA的合成与其他真核细胞中PA合成类似,存在两条合成途径,即甘油232磷酸(G232P)途径和磷酸二羟丙酮(DHAP)途径。甘油232磷酸途径通过其酰基转移酶(GAT)在sn21位酰化,形成溶血磷脂酸(LPA)。同样地,DHAP在其