Synergetic effect of yeast cell-surface expression of cellulase and expansin-like protein on direct ethanol production from cellulose
- 作者
- Yuki Nakatani, Ryosuke Yamada, Chiaki Ogino, Akihiko Kondo
- 单位
- Department of Chemical Science and Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University; Organization of Advanced Science and Technology, Kobe University
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2013）
- DOI
- 10.1186/1475-2859-12-66
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
实现纤维素直接发酵生产乙醇的效率较低，难以达到工业水平，需要提高纤维素降解能力。
研究策略
利用δ整合方法在酿酒酵母表面共展示内切葡聚糖酶（EGII）、纤维二糖水解酶（CBHII）、β-葡萄糖苷酶（BGL）和扩张蛋白样蛋白（SWOI或AoelpI），构建共表达菌株，并评价其PASC降解活性和乙醇发酵性能。
研究路线图
核心内容
研究通过δ整合方法在酿酒酵母MT8-1细胞表面共展示内切葡聚糖酶（EGII）、纤维二糖水解酶（CBHII）、β-葡萄糖苷酶（BGL）以及两种扩张蛋白样蛋白（SWOI或AoelpI），构建了直接发酵纤维素的共表达菌株，并利用cocktail δ-integration优化多基因表达比例。结果显示，共表达AoelpI的菌株对磷酸膨胀纤维素（PASC）的降解活性达到246 mU/g湿细胞，为仅表达纤维素酶菌株的2.9倍；共表达SWOI的菌株为229 mU/g湿细胞，为2.3倍。在PASC直接发酵中，共表达AoelpI的菌株96小时乙醇产量达3.4 g/L，较单表达菌株的2.5 g/L提高1.4倍。混合培养实验进一步表明，AoelpI表达菌株与纤维素酶表达菌株混合后葡萄糖释放速率为95.1 μmol/min/g湿细胞，是对照的2.2倍，证实了协同效应。RT-PCR分析显示共表达菌株中三种纤维素酶转录水平与单表达菌株相近，且AoelpI仅在共表达菌株中检测到，排除了转录调控差异的影响。该研究表明，在酵母表面共表达纤维素酶与扩张蛋白样蛋白可显著增强纤维素降解能力和乙醇发酵性能，为构建高效直接发酵纤维素的菌株提供了可行策略。
创新点
首次证明在酵母细胞表面共表达纤维素酶和扩张蛋白样蛋白具有协同效应，并利用cocktail δ-integration方法优化多基因表达比例。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae MT8-1 | 纤维素降解 | egII | 内切葡聚糖酶II (EGII) | 催化 | 来自里氏木霉Trichoderma reesei，展示于细胞表面 |
| Saccharomyces cerevisiae MT8-1 | 纤维素降解 | cbhII | 纤维二糖水解酶II (CBHII) | 催化 | 来自里氏木霉Trichoderma reesei，展示于细胞表面 |
| Saccharomyces cerevisiae MT8-1 | 纤维素降解 | bgl1 | β-葡萄糖苷酶1 (BGL1) | 催化 | 来自Aspergillus aculeatus，展示于细胞表面 |
| Saccharomyces cerevisiae MT8-1 | 纤维素降解 | swoI | 膨胀素SWOI (Swollenin) | 催化 | 来自里氏木霉，扩张蛋白样蛋白，具有弱内切葡聚糖酶活性，增强纤维素降解 |
| Saccharomyces cerevisiae MT8-1 | 纤维素降解 | aoelpI | 扩张蛋白样蛋白AoelpI | 催化 | 来自米曲霉Aspergillus oryzae，具有弱内切葡聚糖酶活性，与纤维素酶协同作用 |
关键发现
- 共表达AoelpI和纤维素酶的菌株PASC降解活性为246 mU/g湿细胞，是单表达纤维素酶菌株的2.9倍
- 共表达SWOI的菌株为229 mU/g湿细胞，2.3倍。在PASC发酵中，共表达AoelpI菌株96小时产乙醇3.4 g/L，是单表达菌株（2.5 g/L）的1.4倍。混合表达实验显示，AoelpI表达菌株与纤维素酶表达菌株混合后葡萄糖释放速率为95.1 μmol/min/g湿细胞，为对照（42.8）的2.2倍。RT-PCR显示共表达菌株中EGII、CBHII、BGL转录水平与单表达菌株相近，AoelpI仅在共表达菌株中检测到。
研究结论
在酵母细胞表面共表达纤维素酶和扩张蛋白样蛋白可显著提高纤维素降解和直接乙醇发酵能力，为构建高效直接发酵纤维素的酵母菌株提供了新策略。