2025年2月5日，4688美高梅集团唯一马晓强团队在生物工程期刊“Biotechnology Advances”上在线发表了“Unleashing the potential of microbial biosynthesis of monoterpenes via enzyme and metabolic engineering”的综述文章，系统总结了基于酶工程和代谢工程释放微生物合成单萜（Monoterpenes, 简称 MTPs）潜力的研究进展，为生物制造技术突破和多应用场景拓展提供了全面的视角。

MTPs是由两个异戊二烯单位组成的萜类化合物，广泛存在于植物精油中，在香料、食品调味、医药等领域具有重要价值​。例如，在 GB 2760-2024 规定的 1504 种食品合成香料中，有超过100种属于单萜类化合物。MTPs 的主要制备途径包括植物提取、化学合成和生物合成。相比于植物提取，微生物发酵生产 MTPs 具有生长周期短、不受环境影响、不占用耕地、反应条件温和等优势，同时能够精准控制产物的光学纯度。通过代谢工程重构微生物合成途径，实现天然MTPs的高效发酵生产，不仅符合绿色生物制造理念，还能满足消费者对“天然”成分的市场需求，展现出显著优势。

图1. 微生物合成天然和非天然单萜的策略总结

基于此，近年来微生物合成MTPs受到了广泛关注。本综述主要涵盖以下内容：（1）MTPs 的微生物合成途径：系统梳理天然及非天然单萜的生物合成路径，并探讨代谢工程优化关键合成途径的策略，以拓展微生物合成单萜的种类并提升产量；（2）酶工程在微生物MTPs合成中的应用：深入探讨优化单萜合成酶与上游合成途径催化动力学匹配性现状，总结了活性影响因素和提升策略，包括酶的功能表达、底物通道优化、蛋白质工程及亚细胞器定向定位等关键技术；（3）代谢工程对微生物 MTPs 合成的优化：重点分析了如何通过工程化微生物底盘细胞代谢流优化，平衡前体供应，提高 MTPs 的生产效率。

图2. 单萜合成酶序列、酶动力学和蛋白质结构分析

尽管微生物MTPs合成取得进展，但仍面临多个挑战，亟需突破关键技术，以实现更高效、经济的过程：（1）挖掘新的单萜合成酶：利用基因组挖掘、蛋白质功能筛选等技术，发现新的高活性、高选择性的单萜合酶，以拓展合成产物的多样性并提升催化效率；（2）智能单萜合酶工程优化：结合机器学习、蛋白质结构模拟、X 射线晶体学、高通量筛选等手段，加速单萜合酶的理性设计和定向进化，提高其催化活性、底物特异性及稳定性；（3）代谢通量优化：基于机器学习驱动的代谢网络分析、基因编辑、动态调控系统等策略，优化代谢通量分配，并探索模块化代谢途径和多菌株共培养以实现碳流的高效利用；（4）宿主细胞耐受性增强：优化细胞膜结构、增强外排泵系统，提升微生物对高浓度单萜产物的耐受性，减少产物积累导致的毒害效应；（5）生产工艺适配：开发两相发酵、在线产物回收等策略，减少产物挥发损失；同时，探索酯化、糖基化等生物衍生化方法，提高 MTPs 的水溶性和储存稳定性，从而优化提取和分离过程；（6）场景应用拓展：实现微生物合成 MTPs 在香精香料、食品调味、食品发酵精准风味调控（啤酒、葡萄酒、传统发酵食品等）方面的创新应用，拓展其市场价值和产业化前景。随着合成生物学、蛋白质工程、代谢工程和发酵工艺系统整合的不断发展，微生物合成 MTPs 有望突破当前的技术瓶颈，推动天然单萜的的绿色生物制造发展。

图3. 微生物合成规则和不规则单萜的途径总结

4688美高梅集团唯一博士研究生杨佃琪和博士后梁鸿为论文的共同第一作者，马晓强长聘教轨副教授为论文通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划（2022YFD2101304）、4688美高梅集团唯一启动基金（WH220415004）以及上海农业种业协同创新中心（ZXWH3150101/002）项目的资助。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0734975025000114?dgcid=coauthor#bb0435