Effect of HXT1 and HXT7 hexose transporter overexpression on wild-type and lactic acid producing Saccharomyces cerevisiae cells
- 作者
- Giorgia Rossi, Michael Sauer, Danilo Porro, Paola Branduardi
- 单位
- Universita degli Studi di Milano-Bicocca, Department of Biotechnology and Bioscience; School of Bioengineering, FH Campus Wien; Department of Biotechnology, BOKU, University of Natural Resources and Applied Life Sciences
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2010）
- DOI
- 10.1186/1475-2859-9-15
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在酿酒酵母中，葡萄糖摄取是糖酵解通量的潜在控制步骤，但尚未被利用于提高代谢产物（如乳酸）的生产率。本研究旨在通过过表达己糖转运蛋白HXT1或HXT7来增加葡萄糖摄取，从而提高乙醇和乳酸的生产率与产量。
研究策略
在野生型（GRF18U、CEN.PK）及产乳酸工程菌株（CEN.PK [LDH]、CEN.PK m850 [LDH]）中额外整合表达HXT1或HXT7基因，比较生长、葡萄糖消耗、乙醇和乳酸生成动力学。
核心内容
本研究在野生型及产乳酸工程酿酒酵母菌株中过表达己糖转运蛋白基因HXT1或HXT7，考察强化葡萄糖摄取这一糖酵解上游步骤对乙醇和乳酸生产效率的影响。结果显示，在野生型GRF18U中，HXT1或HXT7过表达使葡萄糖消耗速率从-0.69提升至-0.79至-0.80 g/L/h，乙醇生产率由0.27升至0.31至0.32 g/L/h，CEN.PK背景亦有一致提升。在产乳酸的CEN.PK [LDH]菌株中，HXT1过表达使乳酸产率由0.21升至0.24 g LA/g Glc，乙醇产率由0.17升至0.19 g EtOH/g Glc。在工业相关的同型乳酸菌株CEN.PK m850 [LDH]中，HXT1过表达使乳酸产量提升约15%（约90 g/L葡萄糖条件下），乳酸产率从0.67升至0.76 g LA/g Glc，或使达到相同产量所需时间缩短约1.4倍。这些结果表明，通过调节代谢途径第一步的葡萄糖摄取效率即可有效提高有机酸生产率，为工业菌株的代谢工程改造提供了新策略。
创新点
首次将己糖转运蛋白过表达策略应用于乳酸生产菌株，证明通过强化糖摄取这一上游步骤即可提升有机酸生产率，并在工业候选菌株中得到约15%的乳酸产量提升。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae GRF18U | 糖酵解/乙醇发酵 | HXT1 | Hxt1 | 转运 | 低亲和力己糖转运蛋白，Km约50-100 mM |
| Saccharomyces cerevisiae GRF18U | 糖酵解/乙醇发酵 | HXT7 | Hxt7 | 转运 | 高亲和力己糖转运蛋白，Km约1-4 mM |
| Saccharomyces cerevisiae CEN.PK | 糖酵解/乙醇发酵 | HXT1 | Hxt1 | 转运 | 额外拷贝过表达，ScTPI启动子驱动 |
| Saccharomyces cerevisiae CEN.PK | 糖酵解/乙醇发酵 | HXT7 | Hxt7 | 转运 | 额外拷贝过表达，ScTPI启动子驱动 |
| Saccharomyces cerevisiae CEN.PK [LDH] | 乳酸合成/糖酵解 | HXT1 | Hxt1 | 转运 | 与乳酸脱氢酶共表达 |
| Saccharomyces cerevisiae CEN.PK [LDH] | 乳酸合成 | LDH | L. plantarum lactate dehydrogenase | 催化 | 源自植物乳杆菌，多拷贝质粒p212LDH表达 |
| Saccharomyces cerevisiae CEN.PK m850 [LDH] | 同型乳酸发酵 | HXT1 | Hxt1 | 转运 | 在工业候选菌株中过表达，提升乳酸产量约15% |
| Saccharomyces cerevisiae CEN.PK m850 [LDH] | 同型乳酸发酵 | LDH | L. plantarum lactate dehydrogenase | 催化 | 菌株缺乏丙酮酸脱羧酶活性，不产乙醇 |
| Saccharomyces cerevisiae RE700 | 己糖转运 | HXT1 | Hxt1 | 转运 | hxt1-7缺失菌株，用于功能验证 |
| Saccharomyces cerevisiae RE700 | 己糖转运 | HXT7 | Hxt7 | 转运 | hxt1-7缺失菌株，用于功能验证 |
关键发现
- 过表达HXT1或HXT7均使葡萄糖消耗速率和乙醇产生速率加快
- 在GRF18U中葡萄糖消耗率从-0.69提升至-0.79/-0.80 g/L/h，乙醇生产率从0.27提升至0.31-0.32 g/L/h
- 在CEN.PK中类似提升。在产乳酸CEN.PK [LDH]菌株中，HXT1过表达使乳酸产率从0.21提升至0.24 g LA/g Glc，乙醇产率从0.17提升至0.19 g EtOH/g Glc。在工业同型乳酸菌株CEN.PK m850 [LDH]中，HXT1过表达使乳酸产量增加约15%（从约60 g/L提升约15%），或使相同产量所需时间缩短约1.4倍，乳酸产率从0.67提升至0.76 g LA/g Glc（葡萄糖约90 g/L条件下）。
研究结论
通过调节代谢途径第一步（葡萄糖摄取）的效率，可有效提高乳酸生产效率。过表达HXT1或HXT7能增加葡萄糖消耗速率，进而提升乙醇和乳酸的生产率与产量，并在工业相关的同型乳酸菌株中取得显著改善。