在工业生物技术领域，酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是一种极具价值的微生物宿主，广泛应用于生物燃料、食品添加剂和精细化学品的生产。然而，酵母在高糖环境下表现出Crabtre效应一直是制约其能量利用效率和产物合成效率的关键瓶颈。Crabtree效应是指酵母在高糖条件下，即使氧气充足，也会优先进行低效的乙醇发酵，而不是高效的呼吸作用。这种代谢特性导致大量碳源以乙醇形式流失，同时浪费了能量，降低了生产效率。

传统上，科学家们尝试通过敲除丙酮酸脱羧酶基因（PDC）来减少乙醇积累，但这种方法会引发乙酰辅酶A供应不足和NAD⁺再生障碍，难以在实际生产中应用。因此，如何在不破坏细胞氧化还原平衡的前提下，重构酵母的中心碳代谢，消除Crabtree效应，成为生物技术领域亟待解决的难题。近年来，随着合成生物学和代谢工程的快速发展，人们开始探索通过基因工程和代谢途径优化来解决这一问题，为实现酵母的高效能量利用和高附加值产物合成提供了新的希望。

2025年6月5日，湖南省农业科学院单杨院士团队在Nature Communications发表题为“Sucrose-driven carbon redox rebalancing eliminates the Crabtree effect and boosts energy metabolism in yeast”的研究性论文。该研究通过引入蔗糖磷酸解途径并敲除磷酸葡萄糖异构酶基因PGI1，有效解耦糖酵解与呼吸作用，促使酵母菌代谢向Crabtree阴性状态转变，从而消除了Crabtree效应并显著提高了能量代谢效率和非乙醇化合物的产量。

图1 文献基本信息

研究人员首先敲除了酵母内源性蔗糖水解酶基因（SUC2、MAL12/32等），引入明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）的蔗糖磷酸化酶基因LmSP。这种改造使得蔗糖分解为果糖和葡萄糖-1-磷酸（G1P），避免了传统水解过程中的ATP消耗。通过优化双转运蛋白（PvSUF1209F+MAL11），菌株ZQS15的ATP生成效率显著提升，最大比生长速率（μ_max）达到0.21 h⁻¹。

为了彻底消除Crabtree效应，研究人员进一步敲除了肌醇焦磷酸酶基因OCA5和磷酸葡萄糖异构酶基因PGI1。这一改造使得菌株ZQS18完全消除了乙醇积累，NADH/NAD⁺比率显著降低。转录组分析显示，糖酵解（EMP）途径通量下降，而三羧酸循环（TCA循环）和电子传递链（ETC）相关基因上调，证实代谢流向呼吸作用偏移。

为了维持细胞内的氧化还原平衡，研究人员设计了一种合成能量系统，通过过表达线粒体外膜NADH脱氢酶（NDE1/NDE2）和转氢酶（AcTH），使菌株ZQS65在TCA循环受阻时仍能维持生长。此外，通过引入磷酸酮醇酶（LmPK）和磷酸转乙酰酶（CkPTA）途径，进一步减少乙醇溢出代谢，ATP含量提升1.8倍。

改造后的酵母菌株在合成多种非乙醇化合物时表现出显著优势。例如，表达乳酸脱氢酶（LILDH）的ZQS68乳酸产量达到3.29 g/L，较对照提升11倍；而表达突变型丙二酰辅酶A还原酶（CaMCR-CN94IVK1107W）的ZQS71的3-羟基丙酸（3-HP）产量为1.96 g/L，提高8.2倍。

该研究通过引入蔗糖磷酸解途径、敲除关键调控基因和设计合成能量系统，成功将酿酒酵母改造为Crabtree效应阴性菌株。改造后的酵母菌株在能量代谢、碳回收率和产物收率等方面均实现了显著提升。这一成果不仅为微生物细胞工厂的碳高效利用提供了新策略，还为生物制造产业的碳减排提供了重要实践意义。

这项研究为工业微生物的代谢工程改造提供了新的思路和方法。通过精准的代谢重构和合成生物学手段，可以有效解决传统代谢途径中的瓶颈问题，提升微生物的生产效率。此外，该研究还强调了在生物制造中优化碳源利用的重要性，为实现可持续生物制造和碳中和目标提供了有力支持。未来，随着更多类似的代谢工程策略的开发和应用，微生物细胞工厂有望在生产高附加值化合物方面发挥更大的作用。

参考文献：

Zhiqiang Xiao, Yifei Zhao, Yongtong Wang, et al. Sucrose-driven carbon redox rebalancing eliminates the Crabtree effect and boosts energy metabolism in yeast. Nature Communications. (2025) 16:5211. DOI: 10.1038/s41467-025-60578-8.