研究背景
低聚果糖（FOSs）是一类功能性甜味剂，具有益生元特性、低热值等特点，其甜度约为蔗糖的三分之一。摄入FOSs具有显著的健康益处，包括正向调节肠道菌群、促进矿物质吸收、降低血脂、发挥免疫调节作用以及表现出抗氧化活性。蔗果三糖（Kestose）是FOSs中聚合度最小的组分，属于三糖类，包括新科斯糖（neo-kestose）、1-蔗果三糖（1-kestose）和6-蔗果三糖（6-kestose）。与高聚合度的FOSs相比，Kestose表现出更优的益生元功能和更高的化学稳定性。此外，Kestose的特定临床应用也已初步显现。例如，富含Kestose的高纯FOSs（1-kestose >85%）可改善特应性皮炎患儿的皮肤症状，并增强其皮肤屏障功能。研究还发现，1-kestose能抑制紫外线（UVB）诱导的皮肤炎症，并促进I 型原胶原的合成。基于上述优势，利用微生物来源的β-呋喃果糖苷酶（β-Ffases）酶促合成Kestose，已逐渐成为近年来的研究热点。本研究通过系统工程策略改造了毕赤酵母（Komagataella phaffii），旨在提高来源于草酸青霉（Penicillium oxalicum）GXU20 的β-Ffases（EC 3.2.1.26）的分泌表达水平；该酶主要催化蔗糖转化为neo-kestose和1-kestose。首先，对启动子、终止子和转录因子进行组合优化，实现了转录输出的最大化；其次，通过调节涉及内质网相关降解（ERAD）和囊泡运输的关键因子，缓解了分泌路径的瓶颈限制；最后，构建了一株用于高效催化合成Kestose的高性能菌株，为工业化生产提供了一个高效的K. phaffii底盘细胞。
结论与展望
Kestose作为最小的FOSs，相较于其他组分表现出更优的生物活性和甜度特性。虽然其酶法合成依赖于β-Ffase，但该酶的高效异源表达仍具挑战。本研究通过对K. phaffii进行系统工程化改造，显著提升了β-Ffase的分泌量。研究结果表明，对转录调控元件的初步优化使胞外酶产量提高了8.1倍，但胞内仍存在显著积累。通过对分泌途径（包括ERAD和囊泡运输途径）进行定向改造，分泌效率得到进一步提升。其中，产量最高的菌株BA2-2在摇瓶培养中的胞外酶产量到80.3 ± 5.6 U/mL（提高了15.2倍），胞内积累降低至12.3%。利用该菌株高效分泌的β-Ffase，通过“一锅法”生物转化策略，可将蔗糖转化为248.9 ± 20.6 g/L的Kestose，产率达4.08 ± 0.28 g/L/h。综上所述，本研究验证了将表达优化与分泌途径工程相结合的系统工程策略，为工业化生产Kestose提供了一个高效的微生物平台。
原文链接https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.jafc.6c02107
