随着现代生命科学的飞速发展，合成生物技术在生物制造领域的应用日益广泛。2025年，合成生物市场呈现出蓬勃发展的态势，特别是在酿酒酵母的改造方面取得了显著进展。酿酒酵母作为一种经典模式真核生物，因其遗传操作的便捷性、高效的糖酵解能力及完善的分子工具库，在工业生物技术中持续发挥核心作用。本文系统梳理了近五年基于基因工程、基因编辑、代谢工程和合成生物等技术改造酿酒酵母的最新研究成果，从技术创新与应用突破视角剖析发展动态，并对改造酿酒酵母的未来发展方向进行了展望，为深度开发酿酒酵母的生物制造潜力提供了系统化的技术路线参考。

  一、合成生物技术在酿酒酵母改造中的应用背景

  《2025-2030年中国合成生物行业市场调查研究及投资前景分析报告》酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)作为首个完成全基因组测序的真核模式生物，凭借其完善的遗传操作体系和公认的安全认证，已成为工业应用和基础研究中使用最广泛的底盘细胞之一。酿酒酵母具有生长迅速、遗传背景清晰、操作简单、安全性高、遗传操作性强、发酵能力好等优点，被广泛应用在食品、生物制药、能源和化工等领域。因此，改造酿酒酵母以提高其生产性能仍然是世界各国科学家的研究热点之一。

  合成生物市场分析提到自1978年首次实现酵母转化以来，其改造技术经历了三次革命：1. 随机诱变主导期：通过紫外/化学诱变获得乙醇耐受性提高菌株，但存在突变不可控、筛选效率低等局限;2. 定向编辑突破期：重组酶系统与合成染色体的突破，使β-胡萝卜素合成途径的染色体整合效率达67%;3. 精准智能改造期：CRISPR/Cas9技术实现动态代谢分流和全基因组代谢模型指导的理性设计。最新进展显示，机器学习辅助用于改造酿酒酵母。酿酒酵母作为研究最深入的工业微生物，凭借其丰富的遗传工具库、成熟的代谢模型开发能力及高度可操作性，成为异源蛋白表达与复杂代谢途径解析的理想底盘，已广泛应用于蛋白质、化学品及代谢物的微生物工业化生产。

  二、基因工程在酿酒酵母改造中的应用

  (一)基因工程技术概述

  基因工程(genetic engineering, GE)又称基因拼接技术和脱氧核糖核酸(DNA)重组技术，是体外人工“剪切粘贴”DNA引入活细胞的技术，包括基因重组、克隆和表达的设计与构建等上游技术以及基因工程菌或细胞的大规模培养以及基因产物的分离纯化等下游技术。基因工程作为底层技术平台，为其他技术提供了基本的基因操作手段，如将外源基因导入酿酒酵母中表达特定蛋白。1996年酿酒酵母全基因组测序工作的完成，为利用基因工程技术构建酿酒酵母基因工程菌奠定了基础。此后，科学家们构建了多种有效的质粒载体，并探索出相应的基因转化方法，将各种外源基因导入酿酒酵母，使其能够表达特定的蛋白质或具有新的代谢能力，用于生产药物、酶等多种产物。

  (二)基因工程技术在酿酒酵母中的应用案例

  在酿酒酵母借助基因工程进行改造的研究领域，有研究成功克隆出一种全新的D-木糖异构酶(D-xylose isomerase, XI)，该酶源自食木甲虫肠道微生物。新XI活性比改造前高2.6倍，对D-木糖的米氏常数(Km)比改造前低37%，在更宽温度范围内活性更高，在30°C环境下，该酶可维持51%的最大活性，高于改造前的29%。木糖醇产量相同，浓度增加且仍不抑制D-木糖消耗，展现出优异的工业应用潜力。此外，通过对酿酒酵母开展基因改造工作，构建了高效甘油转化菌株，该工程菌株甘油转化效率达0.49g乙醇/g甘油，达到理论值的98%，单次补料分批发酵生产率>1g/(L·h)，混合甘油-葡萄糖底物下乙醇产量>86g/L，转化效率达92.8%。

  三、基因编辑在酿酒酵母改造中的应用

  (一)基因编辑技术概述

  基因编辑(gene editing)是对生物体目标基因及其转录产物进行编辑，实现特定DNA片段的加入、删除，特定DNA碱基的缺失、替换等。基因编辑在基因工程基础上的精准化突破，以CRISPR-Cas系统为核心，实现多基因同步操作，并衍生出先导编辑(Prime Editing)等无痕编辑技术。这些技术能够更精确地对酿酒酵母的基因组进行修饰，实现基因的敲除、插入、替换等操作，为酿酒酵母的遗传改造提供了更强大的工具。

  (二)基因编辑技术在酿酒酵母中的应用案例

  纤维素乙醇作为重要的生物燃料，以木质纤维类生物质为原料，经预处理、酶水解糖化、微生物发酵和乙醇分离纯化等工艺环节得到的燃料产品。基因编辑技术在提高酿酒酵母发酵性能、促进纤维素乙醇高效生产等方面发挥着关键作用。有研究在酿酒酵母木糖发酵菌株的背景下分离了多个突变体和过表达基因的菌株，其中hap4Δ突变体展现出显著优势，其木糖产生的乙醇产量相较于亲本菌株增加了1.8倍。该突变体可积累10.38g/L乙醇，其总乙醇得率达到了0.41g/g木糖。而其他构建的菌株则呈现出戊糖产生乙醇量减少的情况。这一成果揭示了特定基因编辑对酿酒酵母木糖发酵产乙醇能力的重要影响。

  四、代谢工程在酿酒酵母改造中的应用

  (一)代谢工程技术概述

  代谢工程(metabolic engineering)是指利用多基因重组技术有目的的对细胞代谢途径进行修饰、改造，改变细胞特性，并与细胞基因调控、代谢调控及生化工程相结合，为实现构建新的代谢途径生产特定目的产物而发展起来的一个新的学科领域。基因工程和基因编辑技术是代谢工程的重要工具，用于对代谢途径中的关键基因进行调控，代谢工程即整合前两者技术优势，通过动态调控代谢网络提高产物转化效率。近年来，由于菌株工程的进步，代谢工程的系统方法也加快了前进的步伐。代谢工程的广泛研究导致了许多能够生产各种化学品的微生物的发展，包括燃料、材料、食品添加剂和药物。

  (二)代谢工程在改造酿酒酵母的应用案例

  表2凝练了近五年代谢工程改造酿酒酵母的核心突破，其技术策略与增效成果共同揭示：代谢工程已从“单基因靶向操作”跃迁至“系统级智能重编程”，通过空间重构、动态平衡及模块化通路设计，推动生物制造向“高产量-低成本-低碳排”三位一体目标加速进化。例如，通过木糖氧化途径与线粒体异丁醇合成耦合，异丁醇产量2.6 g/L(较传统路径提高3倍);通过整合异源xylA基因到基因组中，木糖利用率近100%;通过代谢路径重构+底物协同利用，乙醇产量提高60%与84%，木糖醇产量降低12%。

  五、合成生物技术在酿酒酵母改造中的应用

  (一)合成生物技术概述

  合成生物学(synthetic biology)是一门通过工程化手段设计、构建或重构生物系统以实现特定功能的交叉学科，融合生物学、工程学、计算机科学等多领域理论与技术。其核心目标是通过标准化生物元件(如基因线路、代谢通路)的模块化组装，创造自然界中不存在的生物系统或优化现有系统，应用于医药、能源、材料等领域。合成生物技术的发展始于20世纪70年代基因工程技术的突破，自1973年实现体外重组DNA，到2010年Venter团队合成人工基因组JCVI-syn1.0为里程碑，再到2018年成功构建单染色体酵母，近年人工智能(AI)合成生物学结合(如AlphaFold)进一步加速蛋白质设计。如今合成生物技术已从实验室走向更为广泛的应用，形成“设计-构建-测试”的工程化研究范式。

  (二)合成生物技术在改造酿酒酵母的应用案例

  表3梳理了部分近五年利用合成生物技术改造酿酒酵母的代表性应用案例，其技术策略与突破性贡献印证：酵母已从传统“代谢载体”跃升为“智能生物工厂”，而模块化、动态化、系统化的工程范式正推动生物制造向“精准设计-高效转化-经济可行”三位一体目标加速演进。例如，通过半乳糖途径重构+动态调控，首次实现大麻素全合成;通过三重异源酶共表达+人工辅因子F0+催化路径简化，完成活性四环素生物转化;通过P450酶系组合+还原型辅酶Ⅱ再生，实现药用化合物的高效合成。

  六、酿酒酵母改造的挑战与展望

  尽管酿酒酵母作为经典模式微生物在生物制造领域取得了显著进展，但其代谢网络的复杂性和天然调控机制仍为人工改造带来多重挑战。例如，在利用酵母合成脂肪酸衍生物时，内源的β-氧化途径会与人工设计的脂质合成路径竞争底物，导致产物效率低下。尽管通过基因敲除可部分抑制竞争途径，但多基因协同调控仍需精细操作，否则易引发细胞生长抑制或代谢失衡。此外，基因编辑工具在酵母中的实际应用也存在明显局限，如CRISPR/Cas9技术虽能实现高效敲除，但仍然存在脱靶效应、效率问题等技术缺陷需要完善。在工业化场景中，酿酒酵母对木质纤维素水解液中抑制物的耐受性不足，进一步制约了纤维素乙醇等生物燃料的大规模生产。

  未来，随着基因工程、基因编辑、代谢工程以及合成生物等前沿技术的不断发展，酿酒酵母的改造前景依旧十分广阔。研究人员们开发了先导编辑器、改进的Cas变体、优化的sgRNA和抗CRISPR蛋白来减少CRISPR-Cas9的脱靶效应。CRISPR-Cas9的高保真变体虽能减少脱靶，但其编辑效率可能下降，如何平衡精准性与效率仍需探索。此外，AI驱动的跨尺度精准调控将实现酿酒酵母的智能化升级：基于多组学数据训练的机器学习模型，结合CRISPR-Cas12a多基因并行编辑系统，可同步优化代谢网络，显著提高木质纤维素乙醇转化效率;依托合成生物学数字孪生平台，AI赋能的“设计-构建-测试-学习”闭环将菌株开发周期缩短，降低纤维素生成乙醇成本。这些技术突破不仅使酿酒酵母有望成为碳中和技术核心载体，更有望在生物医药、食品、能源等领域加速智造，最终构建起“智能设计-绿色生产-产业赋能”的全链条生物制造体系，为全球碳中和目标提供底层技术支撑。

  综上所述，合成生物技术在酿酒酵母改造中的应用取得了显著进展，不仅提升了酿酒酵母的生产性能，还推动了生物制造技术向更高水平发展。未来，随着技术的不断创新和优化，酿酒酵母有望在更多领域发挥更大的作用，为实现可持续发展目标提供有力支持。