多巴胺作为一种关键的神经递质，不仅在治疗心脑血管疾病等方面具有重要的医学价值，也是合成多种高值生物胺类化合物的前体。然而，传统多巴胺的生产依赖于化学合成或葡萄糖等食品级碳源，不仅成本较高，还存在原料不可持续等问题，难以满足绿色生物制造的长期发展需求。因此，开发一种以可再生、非粮碳源高效合成多巴胺的技术方案成为当前研究热点。

近年来，C1生物制造（C1-based biomanufacturing）成为合成生物学领域的重要方向。甲醇作为一种可再生的单碳化合物，具有来源广泛、价格低廉、碳中和、不与粮食竞争等优势，是微生物发酵的理想碳源。巴斯德毕赤酵母（Pichia pastoris）作为一种甲基营养型酵母，已被美国FDA授予“GRAS”安全认证，具备高密度发酵能力和成熟的遗传操作系统，因此被视为C1底盘工程菌的有力候选。然而，由于甲醇代谢网络复杂，且中间产物甲醛具有毒性，其在C1发酵应用中仍面临较大挑战。此外，虽然已有微生物合成多巴胺衍生物的研究报道，但此前尚无利用甲醇为唯一碳源合成多巴胺的成功案例。

近日，华南理工大学生物科学与工程学院韩双艳教授团队在国际权威期刊 Bioresource Technology上发表题为“Metabolic engineering of Pichia pastoris as an industrial chassis enables biosynthesis of dopamine from methanol”的研究论文。该研究通过代谢工程手段对毕赤酵母进行系统改造，成功实现了以甲醇为唯一碳源的多巴胺高效合成，产量达到12.2 g/L，创下目前已知C1底物发酵生产多巴胺的最高纪录。这一成果不仅为多巴胺类物质的绿色制造提供了新路径，也为C1生物制造在神经递质和高值化合物合成中的应用奠定了坚实基础。

为了实现甲醇驱动的多巴胺高效合成，研究团队采用系统性代谢工程策略，对毕赤酵母的多条代谢路径进行了精细化构建与调控。首先，研究人员通过CRISPR-Cas9技术对多巴胺生物合成相关的关键基因进行操作，包括上游通量增强、下游降解阻断以及辅酶供给强化。在构建过程中，通过对不同组合策略下的细胞生长、多巴胺产量和甲醇消耗量等指标进行定量分析，全面评估各策略的效果，并据此确定最优方案。

研究人员首先通过过表达源自甜菜的酪氨酸羟化酶CYP76AD5和假单胞菌中的脱羧酶DODC，成功实现了从L-酪氨酸到多巴胺的合成，产量达到579 mg/L。为了进一步提高通量，研究团队增强了莽草酸通路，并引入反馈解除型突变酶，显著提升了芳香族氨基酸的合成效率。

与此同时，为了防止多巴胺在细胞中被降解，研究人员敲除了多巴胺氧化酶相关基因PAS_chr1-4_0441，有效阻断了降解通路。在此基础上，团队进一步强化了细胞的辅酶再生能力（如引入突变型EcTyrA以提升NADH水平），并通过过表达甲醇代谢关键酶DAS2提升甲醇的代谢效率，使得多巴胺产量在摇瓶发酵中跃升至1533 mg/L。

在此基础上，研究人员对15 L发酵罐条件进行了优化，包括控温、pH调节与补料策略设计。最终，多巴胺产量突破至12.2 g/L，创下以甲醇为唯一碳源生物合成多巴胺的最高纪录。

这项研究不仅首次实现了在巴斯德毕赤酵母中以甲醇为唯一碳源高效合成多巴胺，还通过系统的代谢工程策略显著提高了多巴胺的产量。在摇瓶实验中，多巴胺产量达到1553 mg/L；在15 L发酵罐中更是攀升至12.2 g/L，创造了目前C1原料生物制造多巴胺的最高水平。这一突破为甲醇基多巴胺及其衍生物的绿色制造提供了切实可行的新路径，也为C1生物制造的应用拓展奠定了坚实基础。

本研究的成功为微生物发酵与合成生物学领域带来了重要启示。一方面，通过精细化设计和调控芳香族代谢通路，研究人员有效克服了甲醇代谢中碳通量低和副产物干扰等关键难题；另一方面，研究还整合了NADH再生、降解通路阻断和甲醇同化增强等多种策略，为复杂代谢产物的构建提供了全流程、系统性的解决方案。

这项关于以甲醇为底物合成多巴胺的研究，不仅在科学层面取得了创新性突破，也标志着C1生物制造平台正逐步走向实用化与产业化，也展示了工程微生物在推动绿色化工、精细化生产中的广阔前景。

参考文献：Dexun Fan, Zijia Yuan, Huayang Tang, et al. Metabolic engineering of Pichia pastoris as an industrial chassis enables biosynthesis of dopamine from methanol. Bioresource Technology. DOI:10.1016/j.biortech.2025.132915.