釀酒酵母代謝調控合成功能營養品：進展與挑戰

劉甜甜， 徐顯皓， 孔 曉， 劉延峰，李江華， 堵國成， 呂雪芹， 劉 龍*

（1.江南大學 糖化學與生物技術教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2.江南大學 未來食品科技中心，江蘇 無錫 214122）

隨著人們對于疾病意識從被動治療到主動預防的轉變，以膳食補充劑為主的功能營養品越來越受到追捧。功能營養品含有可調節人體生理功能的營養素，具有天然物質效用等同性、安全性高和功能明確的特點。據世界衛生組織報告和《柳葉刀》報道，慢性疾病是僅次于遺傳而影響人類健康的第二大因素，約16.2%的慢性疾病負擔歸因于膳食[1-2]。功能營養品通過膳食改善人類的健康，對于提高人們生活質量、滿足人們日益增長的美好生活愿望具有重要意義。

微生物合成具備生產周期短、成本低、發酵條件溫和、安全性高和不受氣候影響等諸多優勢[3]，微生物發酵功能營養品常用的宿主有大腸桿菌、谷氨酸棒狀桿菌、枯草芽孢桿菌及釀酒酵母等。其中，釀酒酵母作為模式真核生物和食品安全菌株，遺傳信息背景清晰，分子操作體系完善，是合成功能營養品的理想宿主之一[4-5]。如今，釀酒酵母合成的天然產物已超過100種，研究者針對釀酒酵母生產不同的天然產物的代謝網絡進行了系統性優化。不過，目前國內外關于釀酒酵母這一底盤細胞合成各類功能營養品的系統性介紹與總結卻很少。作者從釀酒酵母作為細胞工廠的相關代謝調控策略、遺傳改造工具以及代謝分析技術等方面展開介紹，列舉了釀酒酵母作為細胞工廠合成母乳寡糖、有機酸、天然色素、維生素和脂肪酸等主要功能營養品的研究進展，并指明釀酒酵母生物合成功能營養品面臨的挑戰及未來發展方向，以期為功能營養品在釀酒酵母中的高效合成提供新思路。

1 釀酒酵母代謝調控策略

1.1 啟動子調控

選用合適的啟動子增強或減弱關鍵基因的表達量，從而增加或減少相關代謝途徑的代謝通量，是代謝網絡調控的常用策略之一。對現有啟動子進行突變和篩選是獲得不同強度啟動子的重要手段。此外，啟動子的理性設計也是提高啟動子強度的有效策略。Curran等對釀酒酵母的內源性啟動子進行了重新設計和人工啟動子的從頭設計，構建了具有不同強度的合成啟動子文庫[6]。在質粒表達體系中，增加了1.5~6.0倍；在基因組表達體系中，目標蛋白質的表達量增加了16倍。Redden等[7]根據啟動子的組成結構，將655 bp的天然啟動子縮短為116 bp，再將其與最小的終止子47 bp串聯，構建了釀酒酵母中最小的表達元件，比通用的表達元件大小縮小了80%。

1.2 終止子調控

終止子在釀酒酵母的基因表達調控中同樣發揮著重要的作用。終止子可以通過控制mRNA半衰期來調節基因的表達水平，從而應用于釀酒酵母的代謝工程改造。選用不同的終止子，目標基因轉錄水平的差異可以在6.5~35.0倍[8]。與合成啟動子類似，Curran等合成了一系列長度在35~70 bp的短終止子，其中合成終止子Tsynth25與天然終止子TCYC1相比，調控基因的轉錄水平提高了4.4倍[9]。合成終止子與天然終止子的差別在于有效核心元件的改造以及連接區序列的長短，Tsynth25終止子在有效元件上游增加了10個T殘基，有效元件（TA）n增加了18 bp。

1.3 輔因子調控

除了調節相關途徑的代謝通量，輔因子的平衡和供給也是代謝網絡調控需要考慮的重要因素之一。輔因子例如NADH、NADPH和輔酶Q等，其作為酶中非蛋白質的部分，參與胞內許多重要的催化和生化反應。輔因子調控策略主要包括調控輔因子平衡供給和調節輔因子的特異性。Heux等發現，NADH氧化酶的過表達會導致細胞內NADH濃度和NADH/NAD+濃度比值大幅下降，乙醇、甘油、琥珀酸和羥基戊二酸的產量顯著降低[10]。Quinn等研究了酵母雙突變體（coq2Δ，ORFΔ）在外源Q6或Q4的存在下，可以恢復在特定發酵的碳源上生長的能力[11]。這項研究確定了外源輔酶Q轉運到線粒體所需的基因和途徑，為釀酒酵母碳源的選擇和高效利用提供了理論基礎。

1.4 轉運蛋白調控

轉運蛋白是一類可以將釀酒酵母細胞所需的營養物質轉運至胞內，或將目標產物轉移到胞外的膜蛋白。除一些生物小分子，大多數分子的轉運都由其特異的轉運蛋白完成。Wang等對一個木糖轉運蛋白進行了定向進化，極大提升了木糖的轉運效率，使工程菌株具備在葡萄糖和木糖培養基中高效利用木糖的能力[12]。Lian等進化了纖維糊精轉運蛋白，工程菌株的纖維二糖攝取率提升了4倍[13]。Pacheco等發現在釀酒酵母中過表達轉運蛋白ADY2和JEN1可使乳酸產量提高15%[14]。Zelle等則通過引入轉運蛋白SpMAE1將蘋果酸轉運到胞外，降低產物分泌到胞外所需的能量并解除產物積累帶來的生長抑制，使蘋果酸的產量提升了6倍[15]。

1.5 動態調控策略

傳統的基因表達調控策略，如過表達途徑關鍵基因、敲除分支路徑相關基因等，可使代謝通量更多的流向產物合成途徑。然而，上述策略容易導致細胞生長與產物合成間的代謝流失衡，中間代謝積累，引入新的代謝瓶頸。動態調控系統是通過構建響應特定信號變化（光、溫度、群體感應、半乳糖、葡萄糖、溶解氧、pH等）的基因回路來對產物的代謝網絡進行實時動態控制[16]。通過開發高效、靈敏、簡便的動態調控系統，可以實時動態地平衡產物代謝網絡中各個代謝流的通量，平衡細胞的生長與產物的合成，從而促進相應產物的高效合成。

Zhou等基于半乳糖GAL調控系統，定向進化獲得了一個溫度敏感的GAL4突變體GAL4M9，并在釀酒酵母（ΔGAL80）中用作蛋白質開關，成功構建了響應溫度的動態調控系統，使細胞生長和產物的合成解耦合[17]。最終，釀酒酵母的生物量提高了44%，番茄紅素的產量提高了144%。Zhao等[18]在釀酒酵母中構建了響應藍光的OptoEXP光遺傳調控系統，該系統被應用于異丁醇和2-甲基-1-丁醇代謝網絡的動態調控，使它們的產量分別提高了5倍和20倍。在釀酒酵母中，響應葡萄糖濃度的HXT1啟動子也被利用在代謝途徑的調控中。當葡萄糖濃度較高時，啟動子被激活，下游基因起始轉錄；當葡萄糖濃度較低時，下游基因表達受抑制。

2 釀酒酵母的遺傳改造工具

利用酵母基因組合適的遺傳改造工具，可以提升釀酒酵母代謝網絡與外源基因的配適性，從而達到目標產物的高效合成，目前常用的遺傳改造工具有以下3個系統：

1）Cre-loxP系統Cre酶通過識別loxP位點介導DNA重組[19]，可以實現基因組靶向改造后篩選標簽的回收利用，使得多位點的多輪迭代改造成為可能。通過缺陷型標簽或者抗性標簽可以直接以同源重組的方式在釀酒酵母內實現基因敲除或者插入，但迭代次數受限于菌株可用的標簽數目。

2）轉錄激活因子樣效應物核酸酶系統（Transcription Activator-Like Effector Nucleases，TALENs） 利 用模塊化、可識別特定堿基的蛋白質序列結合至基因組特定位點，然后利用連接的核酸酶實現基因組的剪切和靶向改造。Li等利用TALENs策略實現了釀酒酵母中Ura3、Ade2和Lys2基因的高效敲除[20]。

3）CRISPR/Cas系統 是最新一代的基因組編輯工具，具有設計簡單、操作便利、效率高等優點，是目前釀酒酵母基因組靶向改造的不二之選。釀酒酵母的高同源重組效率結合CRISPR/Cas9系統的高切割效率，使得基因組多位點敲除和整合更為方便高效。Jakociunas等利用CRISPR/Cas技術并通過共轉化多個gRNA和雙鏈寡核苷酸鏈修復模板，實現了代謝通路上5個基因的100%同時高效轉化[21]。Reider等基于CRISPR-cas9技術構建了一個無克隆工具包，該工具包可以解決代謝工程中常見的障礙，包括染色體整合位點的選擇、啟動子強度和蛋白質定位[22]。

3 釀酒酵母系統代謝分析技術

3.1 組學分析

清晰的遺傳背景是對菌株進行代謝工程改造的前提條件之一，然而，釀酒酵母細胞網絡復雜，許多基因的功能仍舊未知。組學（包括基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學）技術的發展，有助于從整體上、多層次、系統地認識釀酒酵母的遺傳背景和代謝網絡。Hou等構建了一株能夠利用木糖的釀酒酵母菌株，并利用自適應性進化獲得一株木糖利用能力顯著提高的突變株[23]。利用全基因組測序分析發現，分子伴侶在木糖異構酶活性調節中的重要性。Huang等利用紫外誘變和微流體液滴分選技術得到幾株α-淀粉酶產量提高的釀酒酵母突變株，并利用RNA-seq對突變株進行全基因組轉錄分析，發現在厭氧條件下表達的與生長率有關的基因ANB1（編碼轉錄延伸因子）可以通過提高細胞活性、減少氧化應激來提高α-淀粉酶產量[24]。

Chen等對脂肪酸積累的釀酒酵母菌株進行蛋白質組學分析，鑒定出500多種蛋白質，其中82種蛋白質的表達發生顯著變化，結果有助于闡明工程菌株中脂肪酸產量增加的機制，為進一步提高釀酒酵母中脂肪酸的產量提供了改造靶點[25]。Ming等采用代謝組學分析比較了不同濃度乙醇培養的釀酒酵母細胞中的代謝物組成和含量變化，發現總共有36種代謝物發生了顯著變化，包括氨基酸、有機酸和脂肪酸等，其中檸檬酸循環以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝途徑受到明顯的干擾，初步揭示了釀酒酵母的乙醇耐受機制[26]。

3.2 代謝模型分析

一些產物的代謝網絡十分復雜，難以人為選擇合適的靶點進行代謝工程改造，極大地延長了這類產物的研發周期。基于基因組數據構建基因組規模代謝網絡模型 （Genome-Scale Metabolic Network Model，GSMM），對基因組、代謝反應和蛋白質三者之間的關系進行表征[27]，能夠應用于復雜代謝網絡改造靶點的預測。最近建立的Yeast 8.0模型提高了基因組覆蓋率，進一步擴大了酵母代謝網絡范圍，并通過使用Gecko框架加入了酶約束，改善了模型對細胞表型的預測能力。隨后，在Yeast 8.0的基礎上通過公共數據庫收集和評估酵母蛋白質的3D結構開發了proYeast8DB模型，該模型能鑒定與特定表型相關的突變點。

目前，GSMM已經應用于多種產物的代謝網絡改造靶點預測。Asadollahi等使用iFF708模型和基因敲除（OptGene）算法來鑒定新的代謝工程靶點，以增強釀酒酵母中倍半萜的生物合成[28]。該模型評估了基因敲除對釀酒酵母代謝模型中通量分布的影響，并確定GDH1基因（編碼NADPH依賴性谷氨酸脫氫酶）的缺失是提高酵母倍半萜生物合成水平的最佳改造靶點。雖然GDH1基因的刪除使得倍半萜產量增加了85%，且過表達GDH2（編碼NADH依賴性谷氨酸脫氫酶），能夠在提高倍半萜合成水平的同時維持細胞的正常生長速率。Ye等[29]提出了一個包含15種細胞狀態和26種細胞過程的計算全細胞模型WM_S288C，該模型能夠綜合分析釀酒酵母的生理功能。利用WM_S288C預測釀酒酵母表型，在5個水平上對1 140個必需基因的功能進行了表征并與表型關聯。隨著測序技術和組學分析技術的飛速發展，釀酒酵母代謝模型也在不斷發展和完善，將系統地改善我們當前對微生物代謝網絡的認識。

4 釀酒酵母代謝合成多種功能營養品應用實例

釀酒酵母作為可食用菌株，在多功能營養食品的綠色生物合成中占有一席之地。代謝工程探索并表征了釀酒酵母中的一些表達元件和代謝調控機制，發展了穩定可靠的基因組操作方法，成功實現了一系列高附加值化合物在釀酒酵母中的從頭合成。表1列舉了近年來釀酒酵母生產各類功能營養品的策略及產量。

表1 釀酒酵母代謝合成多功能營養品Table 1 Metabolic synthesis of multi-functional nutrients in Saccharomyces cerevisiae

4.1 釀酒酵母合成母乳寡糖

母乳寡糖（Human Milk Oligosaccharides，HMOs）由于其來源稀缺且對于人體尤其是嬰幼兒的健康至關重要，是目前的研究熱點。HMOs可以選擇性地刺激雙歧桿菌的生長從而抑制致病菌生長，維持腸道微生態平衡，保護嬰兒免受腸道致病菌感染。HMOs目前應用最廣的是由FDA（Food and Drug Administration） 和EFSA（European Food Safety Authority） 批 準 的2’-巖 藻 糖 基 乳 糖 （2’-fucosyllactose，2’-FL）和乳酰-N-新四糖（lacto-Nneotetraose，LNnT）。圖1為釀酒酵母合成HMOs的代謝途徑。

圖1 釀酒酵母合成HMOs代謝途徑Fig.1 HMOs’metabolic pathway in Saccharomyces cerevisiae

Liu等人以葡萄糖和乳糖作為混合碳源，通過異源引入GDP-甘露糖-4，6-脫水酶Gmd、GDP-L-巖藻糖合酶WcaG和巖藻糖基轉移酶FucT2，實現了2’-FL在釀酒酵母中的從頭合成[55]。經分批發酵，2’-FL的產量達到0.51 g/L。Lee等人以木糖和乳糖為混合碳源[31]，首先引入了一個克魯維酵母來源的乳糖轉運蛋白Lac12；隨后引入一條大腸桿菌來源的由Gmd、WcaG和α-1，2-巖藻糖轉移酶WbgL組成的2’-FL生物合成途徑，得到的工程酵母能夠合成25.5 g/L的2’-FL。

4.2 釀酒酵母合成維生素

維生素是機體正常代謝必不可少的微量營養元素。維生素不會為細胞生長提供能量，但參與生物的代謝調控，缺乏維生素將導致代謝紊亂，進而引發嚴重的健康問題[56]。目前，釀酒酵母合成的維生素主要包含3種：維生素A（二萜）、維生素D和維生素E。圖2為釀酒酵母生物合成維生素和萜類的代謝路徑：以中心代謝物乙酰輔酶A為前體，經甲羥戊酸（mevalonate，MVA）途徑，轉化成為維生素合成的關鍵前體法尼烯基焦磷酸，其在不同酶的催化下形成維生素和萜類。

視黃醇是一種脂溶性維生素A。Lee等人通過在一株能夠生產類維生素A混合物（視黃醇、視黃酸和視黃醛）的釀酒酵母基因組中異源整合視黃醇脫氫酶基因RDH12，同時引入乳酸乳球菌的noxE基因（編碼NADH氧化酶）來緩解氧化還原失衡，最終使視黃醇的產量提升了30%，達到97.09 mg/L[57]。維生素E包括生育酚和生育三烯醇兩類，Jiao等通過敲除低氧基因的轉錄抑制因子MOT3和血紅素依賴的缺氧抑制基因ROX1，優化了生育三烯醇的合成途徑[35]；其次，過表達GGPP合酶和NADH激酶，加強了前體和NADPH的供應；隨后通過過表達內源PDR轉運蛋白Pdr11p和Yol075cp，增強了生育三烯醇的外排；最后以橄欖油作為萃取劑，通過雙相發酵獲得82.68 mg/L的生育三烯醇。

4.3 釀酒酵母合成萜類

萜類化合物在食品添加劑、藥物、香料等領域具有巨大的經濟價值和良好的市場前景。釀酒酵母作為細胞工廠，在萜類化合物的合成中具有較大優勢，除自身擁有良好的魯棒性外，釀酒酵母相比于大腸桿菌等原核生物，具有與植物一致的MVA途徑，不僅為萜類產物提供前體，且擁有內質網、高爾基體和過氧化物酶體等合成萜類化合物所需的關鍵細胞器和翻譯后修飾系統，能夠表達大多數萜類合成所必需的cytochrome P450酶[58]。MVA途徑除了可以合成維生素外，也是萜類化合物合成的重要合成途徑，見圖2。根據所含C5基本結構單元的數量，萜類化合物可分為半萜（C5）、單萜（C10）、倍半萜（C15）和二萜（C20）等。絕大多數萜類化合物的烯烴骨架由特定的萜類合成酶催化：異戊烯基焦磷酸（isopentenyl diphosphate，IPP）、二甲基烯丙基焦磷酸（dimethylallyl diphosphate，DMAPP）、香葉基焦磷酸（geraniyl pyrophosphate，GPP）、法尼烯基焦 磷酸（farnesyl pyrophosphate，FPP）或香葉基香葉基焦磷酸（geranylgeranyl pyrophosphate，GGPP）等產生，這類酶的結構高度保守且多數不存在于酵母中，因此需要在釀酒酵母中異源表達植物或者其他生物來源的萜類合成酶。

圖2 釀酒酵母生物合成維生素和萜類代謝路徑Fig.2 Biosynthetic pathway of vitamins and terpenoids in Saccharomyces cerevisiae

釀酒酵母自身的角鯊烯合酶（ERG9）可催化FPP合成三萜角鯊烯。Li等[42]通過逐步過表達角鯊烯合成途徑的相關酶類，加強了乙酰輔酶A到角鯊烯的轉化。隨后，引入了來源于Silicibacter pomeroyi的3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A（HMG-CoA）還原酶（NADH-HMGR），過表達Dickeya zeae來源的天然乙醇脫氫酶ADH2和乙醛脫氫酶ADA，增強了細胞利用乙醇合成角鯊烯的能力。最終，通過補料分批發酵，釀酒酵母菌株SE7的角鯊烯產量達到了9 472 mg/L。Yu等[44]通過半理性設計和定點突變，優化了α-香樹脂醇合酶的催化活性，隨后通過過表達二酰基甘油酰基轉移酶DGA1（參與三酰基甘油的生物合成），擴大了工程酵母對α-香樹脂醇合成的儲存量，使α-香樹脂醇的產量達到107.9 mg/L。

4.4 釀酒酵母合成短鏈有機酸

有機酸作為天然代謝物，在食品、制藥、生物基材料等行業有著廣泛的應用。特別是短鏈有機酸，它們大多數是細胞的中間代謝物，也是一些商業化學品的替代品，可以通過微生物發酵生產，見圖3。釀酒酵母生長的最適pH在4.5~5.5，在一定程度上可抵抗有機酸發酵過程中發酵液逐漸酸化對細胞生長的抑制作用，從而減少中和劑的添加量。同時，當pH低于3.0時，酵母能夠生長，而許多細菌不能生長，這也緩減了雜菌污染問題。因此，釀酒酵母是合成有機酸的理想宿主之一。

圖3 釀酒酵母短鏈有機酸合成途徑Fig.3 Synthetic pathway of short chain organic acid in Saccharomyces cerevisiae

蘋果酸是人體循環系統的重要中間產物，易被人體吸收，因此可作為食品添加劑和功能性食品應用于食品、化妝品、醫療和保健品等領域。Zelle等[48]通過在釀酒酵母中過表達丙酮酸羧化酶PYC、蘋果酸脫氫酶MDH以及羧酸轉運蛋白基因SpMAE1，使蘋果酸的產量達到59 g/L，產率為0.42 g/g。富馬酸是一種常用的酸度調節劑、酸化劑、抗氧化劑和香料，其作為食品酸味劑時具有顯著的抑菌和防腐功效。Xu等[49]以胞內丙酮酸積累的釀酒酵母菌株FMME003作為出發菌株，分別過表達來源于米根霉Rhizopus oryzae的丙酮酸羧化酶RoPYC、蘋果酸脫氫酶RoMDH和延胡索酸酶RoFUM1，使富馬酸的產量達到5.64 g/L。檸檬酸是一種重要的多功能有機酸，在工業、食品業和化妝品業等領域具有多種用途[59]。Victor等[51]從變質的棕櫚酒樣品中分離出一株釀酒酵母，優化了該菌株在啤酒廢谷粒中深層發酵生產檸檬酸的工藝，使檸檬酸的產量達到31.2 g/L。

4.5 釀酒酵母合成脂肪酸

脂肪酸是中性脂肪、磷脂和糖脂的主要成分，在氧氣充足的情況下可被脂酰輔酶A合酶和脂肪酸氧化酶氧化分解為H2O和CO2，并釋放大量能量，因此，脂肪酸是機體的主要能量來源之一。必需脂肪酸（Essential Fatty Acid，EFA）為人體健康和生命所必需，但機體自身不能合成，必須依賴食物供應，分為ω-3族的α-亞麻酸（C18∶3）和ω-6族的亞油酸（C18∶2），屬于多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFA）[60-61]。PUFA具有促進身體、智力和視力發育的重要生理功能，尤其對嬰幼兒的發育至關重要[62]。在釀酒酵母中，乙酰輔酶A和丙二酰輔酶A在脂肪酸合酶Ⅰ（fatty acid synthaseⅠ，FASⅠ）的催化下，合成能夠以脂酰輔酶A作為前體的一系列脂肪酸及其衍生物，見圖4。

圖4 釀酒酵母脂肪酸代謝合成途徑Fig.4 Synthetic pathway of short chain fatty acid in Saccharomyces cerevisiae

在脂肪酸的合成途徑中，乙酰輔酶A羧化酶ACC1負責催化乙酰輔酶A合成丙二酰輔酶A，是脂肪酸在釀酒酵母中合成的限速步驟。過表達ACC1提高其表達量和突變ACC1提高其催化效率是解除該限速步驟的常用方法。脂肪酸合酶Ⅰ（fatty acid synthaseⅠ，FASⅠ）是一個復雜的復合酶系，包含了6個酶活性中心（酮脂酰合成酶、酮脂酰還原酶、烯脂酰脫水酶、烯脂酰還原酶、乙酰基轉移酶和丙二酰/棕櫚酰轉移酶）。由于酵母中的FASⅠ結構復雜、不易進行編輯，異源表達其他物種的FAS可提升脂肪酸合酶的催化活性，有利于脂肪酸的合成。Leber等利用人來源的I型脂肪酸合酶hFAS合成短鏈羧酸（C6~C10）構建了CpFatB1ΔTE連鎖突變體，最終，SCFA的總產量比天然酵母提高了52倍（68 mg/L）[63]。此外，對FASⅠ的結構進行蛋白質工程改造，調整其對底物的偏好性，可以獲得不同碳鏈長度的脂肪酸[64]。最后，敲除β-氧化途徑及競爭途徑中的關鍵酶也能夠促進脂肪酸的合成。通過敲除在β-氧化過程中起關鍵作用的酶POX1、FAA2和PXA1，可以顯著提高長鏈脂肪酸的產量，而敲除酰基載體蛋白基因FAA2、腺嘌呤核苷酸轉運蛋白基因ANT1和過氧化物酶體膜蛋白基因PEX11則可以明顯提高中鏈脂肪酸的產量[65]。

5 挑戰與展望

隨著的國民經濟的發展和人民生活水平的提高以及能源和環境的緊迫需求，以微生物代謝生產功能營養品的生物技術體系正在迅猛發展。近年來，基于對釀酒酵母遺傳基因背景的深入了解和合成生物學工具的開發，釀酒酵母已經作為底盤細胞用于多種功能營養品的工業生產。例如，Amyris公司（2016年）利用釀酒酵母生產萜類的前體物——法尼烯，生產規模已達到200 m3發酵體系[66]。傳統的代謝調控策略雖然在釀酒酵母中實現了一系列高附加值功能營養品的從頭合成，但是釀酒酵母中固有的代謝調控網絡總是會將有限的資源流向細胞生長，導致異源合成途徑的代謝通量較低，相應產物的產量普遍不高。傳統代謝調控策略只能實現局部調控細胞的代謝網絡，容易導致代謝失衡，從而降低產物的合成效率。如何在現有研究技術方法上進一步平衡生長和生產的關系以及擴展合成目標范圍是目前面臨的挑戰和未來研究的重要方向。

隨著組學技術和計算機學的發展，基因組、轉錄組、蛋白質組和代謝組學分析結合計算機代謝模型預測，可為代謝網絡關鍵改造靶點的鑒定和系統性優化提供理論指導。同時，以CRISPR技術為主的一系列基因組編輯技術的開發和利用可以實現對釀酒酵母基因組的高效改造和精準調控[61]。另外，高通量篩選平臺[43]和微流體液滴系統[2]的建立極大提高了目標菌株的篩選效率。這些新型技術的興起，為釀酒酵母的代謝工程改造拓展了新方向。將代謝工程與合成生物學、系統生物學、信息生物學、基因編輯技術及計算機學相結合，為釀酒酵母中其他功能營養品的高效合成提供新技術與新思路。