酵母细胞工厂创制及高值化利用

本书系统介绍了酵母细胞工厂的基础理论知识，创制高效酵母细胞工厂所涉及的核心工具与关键技术，以及酵母细胞工厂的高值化应用，并阐述了酵母细胞工厂在生物制造领域的应用价值与发展前景。其中，第1章概述了酵母细胞工厂的概念、种类、发展历程与应用领域，简述了酵母作为工业底盘细胞的优势与挑战；第2章介绍了ZFN、TALEN、CRISPR/Cas等基因编辑工具，以及DNA、转录、翻译等不同水平的蛋白表达调控元件；第3章介绍了代谢网络分析、途径设计及代谢通量优化策略等代谢工程核心技术；第4章介绍了酶的半理性设计、理性设计、从头设计及定向进化系统与高通量筛选系统等酶工程技术；第5章介绍了基于内质网、线粒体、脂滴、过氧化物酶体等天然细胞器和人工细胞器的酶组装技术；第6章从蛋白和多肽、功能糖、萜类化合物及固醇等方面介绍了酵母的高值化加工和利用。
本书详细介绍了酵母细胞工厂的核心技术及其产业化应用，可供生物工程、生物技术、发酵工程以及合成生物学等领域的研究人员参考，也可以作为研究生教学参考用书。

在高值化学品与生物活性物质的制造领域，传统工业化生产模式长期依赖化学合成、天然提取等工艺，由此带来的高能耗、高污染以及对自然资源的强烈依赖等问题，已成为行业发展的显著瓶颈。当前，全球正共同面临气候变化的严峻挑战，我国也明确提出“碳达峰碳中和”的战略目标，加之《“十四五”生物经济发展规划》的明确指引，功能性生物制造领域正迎来一场以绿色可持续发展为核心的深刻变革。
在绿色生物制造体系中，酵母凭借其成熟、高效且安全性高的特性，成为极具潜力的工业底盘细胞。基于这一行业背景与技术趋势，我们撰写了本书，旨在系统介绍酵母细胞工厂的构建、优化与应用。书中详细阐述了构建酵母细胞工厂所需的核心工具，如基因编辑工具、表达调控元件等；并从代谢工程、酶工程和细胞器工程三个方面详细介绍了酵母细胞工厂构建的关键技术；同时，通过丰富的案例，系统展示了酵母细胞工厂在功能性蛋白与多肽、功能糖、萜类化合物、固醇等多种高值化产品绿色生物制造中的具体技术应用与实践成果。
本书中的部分研究案例，来自作者团队成员的辛勤工作，在此向他们表示衷心的感谢。因作者的学术功底、研究经验和写作能力有限，书中难免存在不足之处，如能赐教、指正，不胜感激！

主编 
2026年3月

第1章 绪论 001 
1.1 酵母细胞工厂的概念和种类. 001 
1.1.1 酵母细胞工厂的概念 001 
1.1.2 酵母细胞工厂的种类 004 
1.2 酵母工厂的发展历程与应用005 
1.2.1 酵母工厂的发展历程 005 
1.2.2 酵母工厂的应用领域 008 
1.3 酵母作为工业底盘细胞的优势与挑战 012 
1.3.1 酵母细胞工厂的优势 012 
1.3.2 酵母细胞工厂面临的挑战 013
参考文献 014

第2章 酵母细胞工厂的核心工具 016 
2.1 基因编辑工具 016 
2.1.1 ZFN系统 17 
2.1.2 TALEN系统 020 
2.1.3 CRISPR/Cas系统 023 
2.2 蛋白表达调控元件 039 
2.2.1 DNA水平调控元件 040 
2.2.2 转录和转录后水平调控元件 042 
2.2.3 翻译和翻译后水平调控元件 049
参考文献 053 

第3章 代谢工程与酵母细胞工厂 056 
3.1 代谢网络分析与途径设计 056 
3.1.1 代谢途径解析与设计 056 
3.1.2 基因组尺度代谢模型 062 
3.1.3 模块化代谢工程 067 
3.2 代谢通量优化策略 070 
3.2.1 动态调控 071 
3.2.2 辅因子工程 076
参考文献 081

第4章 酶工程与酵母细胞工厂 082 
4.1 酶设计策略 083 
4.1.1 半理性设计 083 
4.1.2 理性设计 086 
4.1.3 从头设计 090 
4.2 定向进化系统 094 
4.2.1 定向进化本质 094 
4.2.2 随机诱变技术 094 
4.2.3 基因重组技术 095 
4.2.4 酿酒酵母体内定向进化系统 096 
4.3 高通量筛选系统 097 
4.3.1 高通量筛选策略的分类与选择原则 097 
4.3.2 基于微孔板与光学检测的经典体外筛选方法 099 
4.3.3 流式细胞术与荧光激活细胞分选 100 
4.3.4 微流控技术 100 
4.3.5 基于遗传选择的体内筛选策略 102
参考文献 103

第5章 细胞器工程与酵母细胞工厂 105 
5.1 基于天然细胞器的功能强化和酶组装 105 
5.1.1 内质网工程 105 
5.1.2 线粒体工程 109 
5.1.3 脂滴工程 114 
5.1.4 过氧化物酶体工程 118 
5.2 人工细胞器构建与应用 121 
5.2.1 人工细胞器构建 122 
5.2.2 人工细胞器的应用 124
参考文献 129

第6章 基于酵母的高值化加工和利用 130 
6.1 蛋白和多肽 130 
6.1.1 微生物蛋白 130 
6.1.2 酵母重组蛋白 136 
6.1.3 鲜味肽 141 
6.2 功能糖 160 
6.2.1 酵母多糖 160 
6.2.2 糖苷类化合物 172 
6.3 萜类化合物和固醇 184 
6.3.1 萜类化合物 184 
6.3.2 麦角固醇和 7-脱氢胆固醇 196
参考文献 207