徐鵬等人工程化改造解脂耶氏酵母，針對植物食品氰苷解毒，降低中毒風險

氰化物是一種植物性化學物質，嚴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，特定條件下將轉化為劇毒的氫氰酸（HCN），可引發神經系統紊亂、呼吸抑制、心跳異常等中毒癥狀，甚至導致死亡，嚴重威脅人們健康，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。

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

近日，來自廣東以色列理工學院徐鵬等人在 Communications Biology  期刊發表了一篇題為“Expanding Yarrowia lipolytica’s metabolic potential for detoxification of cyanogenic glycosides in edible plants”的研究。在該研究中，研究人員通過基因工程技術，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定為“公認安全（GRAS）”的食品級微生物，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境中生存和代謝，從而持續有效地進行解毒工作。

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，負責水解氰苷的糖苷鍵，釋放 HCN 和葡萄糖基團。

經過驗證，LINA 蛋白酶在 6 小時內將 50 mg/L 的亞麻仁苦苷降解至 26.78 mg/L 以下，在此過程中釋放出 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，同時每種氰苷釋放出超過 90 mg/L 的 HCN；LINA-BGLU7 復合酶則對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-巰基丙酮酸硫轉移酶（sseA）基因，嘗試將 HCN 轉化為低毒性的硫氰酸鹽（SCN）。但事實證明，其對氰苷的水解改善并不顯著。這表明 HCN 對菌株的氰化物降解活性沒有顯著的限速作用，可能是由于其高揮發性。

確定轉基因菌株能在高濃度的氰苷中存活和生長后，研究人員對新型菌株 YXP08lb 進行了性能測試。在評估其對氰苷的降解能力時，研究人員設置了多組實驗，將其培養在含不同濃度氰苷（亞麻仁苦苷、苦杏仁苷、野黑櫻苷和蜀黍氰苷）的培養基中，并分別以編碼 LINE 基因和 BGU7 基因的菌株作為對照。

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

在實際食物樣本降解實驗中，研究人員選取木薯、杏核和發芽高粱等含氰苷食物，先利用 HPLC 技術測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℃ 發酵 48 小時后用 HPLC 技術檢測發酵后氰苷殘留量。

數據表明，在實際木薯樣本中，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 93.9%，在杏核和發芽高粱樣本中也有顯著成果，證明了該菌株在實際應用中同樣有效。

為探究 YXP08lb 解毒能力的內在機制，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激活一系列基因，增強了自身的代謝能力。這些基因包括促進氧氣結合的細胞色素氧化酶復合體基因、替代氧化酶基因等，從而規避 HCN 毒性并維持細胞穩態。

基因表達調控。YXP08lb 菌株中與核糖體生物合成相關的基因顯著上調，為蛋白質快速合成提供條件，從而提高了糖苷水解酶的產量和活性，進一步增強了其“解毒”能力。

磷脂合成增強。研究人員通過分析脂質成分發現，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。磷脂對于維持細胞膜結構完整性和細胞代謝穩定性至關重要，這為菌株在解毒過程中的能量供應和細胞功能維持提供了重要支持，有助于其在含氰環境中更好地生存和發揮解毒作用。

能量利用途徑優化。YXP08lb 提高了一系列與氧化磷酸化以及 NAD? 和 ATP 穩態相關的關鍵酶基因表達。如編碼檸檬酸合酶的基因過表達，可加速三羧酸循環中草酰乙酸向檸檬酸的轉化。乙酰輔酶 A 合酶的過表達則促使可用的檸檬酸迅速轉化為乙酰輔酶 A，為細胞能量生成提供了支持，助于其在含氰環境中更好地生存和發揮解毒作用。

總之， 新型解脂耶氏酵母 YXP08lb 菌株的構建，有望大大提升食品安全性，為食物氰化物問題帶來解決方案。不僅如此，其大量合成磷脂的特性，也為單細胞磷脂生產提供新可能，在醫藥和保健品領域具有潛在開發價值。

參考文獻：

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