徐鵬等人工程化改造解脂耶氏酵母，針對(duì)植物食品氰苷解毒，降低中毒風(fēng)險(xiǎn)

氰化物是一種植物性化學(xué)物質(zhì)，嚴(yán)重威脅食品安全和人類健康。在眾多食用植物中，氰化物都以氰苷的形式廣泛存在，像木薯中的亞麻仁苦苷、高粱中的蜀黍氰苷、蘋果籽中的苦杏仁苷等。這些氰苷在人體攝入后，特定條件下將轉(zhuǎn)化為劇毒的氫氰酸（HCN），可引發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)紊亂、呼吸抑制、心跳異常等中毒癥狀，甚至導(dǎo)致死亡，嚴(yán)重威脅人們健康，因此，如何有效地去除這些植物中的氰化物，保障食品安全，一直是研究的重點(diǎn)。

然而，在食物氰化物解毒方面，傳統(tǒng)的物理和化學(xué)方法往往受到精確性不足及效率低下等限制。目前，使用食品級(jí)微生物降解氰苷被普遍認(rèn)為是去除可食用植物中氰化物最安全、最有效的方法。

近日，來(lái)自廣東以色列理工學(xué)院徐鵬等人在 Communications Biology  期刊發(fā)表了一篇題為“Expanding Yarrowia lipolytica’s metabolic potential for detoxification of cyanogenic glycosides in edible plants”的研究。在該研究中，研究人員通過(guò)基因工程技術(shù)，成功改造解脂耶氏酵母，使其能夠高效地降解多種植物中的氰苷，從而去除氰化物的毒性。

解脂耶氏酵母本身被認(rèn)定為“公認(rèn)安全（GRAS）”的食品級(jí)微生物，且具備抵抗氰化物的呼吸途徑，從而可以很好的在含有氰化物的環(huán)境中生存和代謝，從而持續(xù)有效地進(jìn)行解毒工作。

在含有氰苷的植物中，糖苷水解酶家族 1（GH1） 將相對(duì)惰性的糖苷水解成氰醇，氰醇隨后被水解成非還原性葡萄糖基和氫氰酸 (HCN)。

為了獲得具有解毒功能的菌株，研究人員首先從木薯和水稻中分別克隆 LINA 和 β-glucosidase 7（BGLU7）基因，兩者均屬于 GH1，負(fù)責(zé)水解氰苷的糖苷鍵，釋放 HCN 和葡萄糖基團(tuán)。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，LINA 蛋白酶在 6 小時(shí)內(nèi)將 50 mg/L 的亞麻仁苦苷降解至 26.78 mg/L 以下，在此過(guò)程中釋放出 58.97 mg/L  的 HCN；相比之下，Os3bglu7 蛋白高效水解苦杏仁苷、野櫻苷和蜀黍苷，但對(duì)亞麻仁苦苷的水解效果較差，從 50 mg/L 降低至 10 mg/L 以下，同時(shí)每種氰苷釋放出超過(guò) 90 mg/L 的 HCN；LINA-BGLU7 復(fù)合酶則對(duì)多種氰苷的水解多功能性有所提高。

然后，再引入大腸桿菌的 3-巰基丙酮酸硫轉(zhuǎn)移酶（sseA）基因，嘗試將 HCN 轉(zhuǎn)化為低毒性的硫氰酸鹽（SCN）。但事實(shí)證明，其對(duì)氰苷的水解改善并不顯著。這表明 HCN 對(duì)菌株的氰化物降解活性沒(méi)有顯著的限速作用，可能是由于其高揮發(fā)性。

確定轉(zhuǎn)基因菌株能在高濃度的氰苷中存活和生長(zhǎng)后，研究人員對(duì)新型菌株 YXP08lb 進(jìn)行了性能測(cè)試。在評(píng)估其對(duì)氰苷的降解能力時(shí)，研究人員設(shè)置了多組實(shí)驗(yàn)，將其培養(yǎng)在含不同濃度氰苷（亞麻仁苦苷、苦杏仁苷、野黑櫻苷和蜀黍氰苷）的培養(yǎng)基中，并分別以編碼 LINE 基因和 BGU7 基因的菌株作為對(duì)照。

結(jié)果顯示，YXP08lb 降解氰苷能力卓越，48 小時(shí)內(nèi)可將 100mg/L 的亞麻仁苦苷降解至 3.6mg/L，降解效率達(dá) 96.4%；對(duì)苦杏仁苷、野黑櫻苷和蜀黍氰苷的降解效率分別為 95.8%、94.3% 和 92.3%，而對(duì)照組酵母降解效果低。 

在實(shí)際食物樣本降解實(shí)驗(yàn)中，研究人員選取木薯、杏核和發(fā)芽高粱等含氰苷食物，先利用 HPLC 技術(shù)測(cè)定食物中氰苷初始含量后，再將 YXP08lb 菌株接入處理后的食物樣本，30℃ 發(fā)酵 48 小時(shí)后用 HPLC 技術(shù)檢測(cè)發(fā)酵后氰苷殘留量。

數(shù)據(jù)表明，在實(shí)際木薯樣本中，YXP08lb 能將亞麻仁苦苷含量從 34.85±1.03 mg/g 降至 2.09±0.12 mg/g，降解效率達(dá) 93.9%，在杏核和發(fā)芽高粱樣本中也有顯著成果，證明了該菌株在實(shí)際應(yīng)用中同樣有效。

為探究 YXP08lb 解毒能力的內(nèi)在機(jī)制，研究人員從多層面展開了研究。

抗氰化物呼吸（AOX）途徑激活。改造后的酵母菌株通過(guò)激活一系列基因，增強(qiáng)了自身的代謝能力。這些基因包括促進(jìn)氧氣結(jié)合的細(xì)胞色素氧化酶復(fù)合體基因、替代氧化酶基因等，從而規(guī)避 HCN 毒性并維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。

基因表達(dá)調(diào)控。YXP08lb 菌株中與核糖體生物合成相關(guān)的基因顯著上調(diào)，為蛋白質(zhì)快速合成提供條件，從而提高了糖苷水解酶的產(chǎn)量和活性，進(jìn)一步增強(qiáng)了其“解毒”能力。

磷脂合成增強(qiáng)。研究人員通過(guò)分析脂質(zhì)成分發(fā)現(xiàn)，YXP08lb 菌株能夠合成大量磷脂，包括磷脂酰絲氨酸、磷脂酰肌醇、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰膽堿和磷脂酰甘油等。磷脂對(duì)于維持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整性和細(xì)胞代謝穩(wěn)定性至關(guān)重要，這為菌株在解毒過(guò)程中的能量供應(yīng)和細(xì)胞功能維持提供了重要支持，有助于其在含氰環(huán)境中更好地生存和發(fā)揮解毒作用。

能量利用途徑優(yōu)化。YXP08lb 提高了一系列與氧化磷酸化以及 NAD? 和 ATP 穩(wěn)態(tài)相關(guān)的關(guān)鍵酶基因表達(dá)。如編碼檸檬酸合酶的基因過(guò)表達(dá)，可加速三羧酸循環(huán)中草酰乙酸向檸檬酸的轉(zhuǎn)化。乙酰輔酶 A 合酶的過(guò)表達(dá)則促使可用的檸檬酸迅速轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶 A，為細(xì)胞能量生成提供了支持，助于其在含氰環(huán)境中更好地生存和發(fā)揮解毒作用。

總之， 新型解脂耶氏酵母 YXP08lb 菌株的構(gòu)建，有望大大提升食品安全性，為食物氰化物問(wèn)題帶來(lái)解決方案。不僅如此，其大量合成磷脂的特性，也為單細(xì)胞磷脂生產(chǎn)提供新可能，在醫(yī)藥和保健品領(lǐng)域具有潛在開發(fā)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

1．Azi, F., Li, Z. & Xu, P. Expanding Yarrowia lipolytica’s metabolic potential for detoxification of cyanogenic glycosides in edible plants. Commun Biol 8, 188 (2025). https://doi.org/10.1038/s42003-025-07628-5