Enhancement of ethanol fermentation of Saccharomyces cerevisiae sake yeast strain by disrupting mitophagy function.
- 作者
- Shodai Shiroma, Lahiru Niroshan Jayakody, Kenta Horie, Koji Okamoto, Hiroshi Kitagaki
- 单位
- Department of Environmental Science, Faculty of Agriculture, Saga University, Saga, Japan; Department of Biochemistry and Applied Biosciences, United Graduate School of Agricultural Sciences of Kagoshima University, Kagoshima, Japan; Graduate School of Frontier Biosciences, Osaka University, Osaka, Japan
- 杂志
- Applied and Environmental Microbiology（2013）
- DOI
- 10.1128/AEM.03130-13
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
清酒酵母已具有极高的乙醇发酵速率，如何进一步提升其发酵性能。
研究策略
通过敲除线粒体自噬关键基因ATG32，抑制线粒体自噬，从而增强酵母的乙醇发酵能力。
核心内容
该研究通过敲除线粒体自噬关键基因ATG32，探索抑制线粒体自噬对清酒酵母乙醇发酵性能的提升作用。研究者首先在实验室菌株BY4743及清酒酵母菌株K7/K7RAK中构建atg32Δ突变株，随后在清酒酿造及最小合成培养基条件下进行发酵实验。结果发现，野生型菌株在酿造过程中发生Atg32依赖性线粒体自噬，而突变株中该过程被完全阻断。在实验室菌株中，atg32Δ突变株最大CO2产生速率较亲本提高7.50%，最终乙醇浓度提高2.12%；在清酒酿造条件下，突变株最大CO2产生速率提高6.28%。最小合成培养基实验中，atg32Δ清酒酵母最终乙醇浓度达72.2 g/L，较亲本提高2.76%，同时生物量显著降低、乙醇得率从0.468提高至0.481 g/g。对照实验显示，敲除一般自噬基因ATG8或ATG11反而显著降低发酵能力，证明只有特异性抑制线粒体自噬才能增强发酵。该结果表明抑制线粒体自噬可将碳流从生物量合成转向乙醇生成，为工业酵母发酵性能改良提供了新策略。
创新点
['首次发现线粒体自噬在清酒酿造过程中发生', '证明抑制线粒体自噬而非一般自噬可增强清酒酵母的乙醇发酵性能', '提供了一种通过调控线粒体自噬改善工业酵母发酵能力的新策略']
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae BY4743 | 乙醇发酵 | ATG32 | Atg32 | 调控 | 线粒体自噬受体蛋白，敲除后实验室菌株发酵速率和乙醇产量提高 |
| Saccharomyces cerevisiae sake yeast strain K7/K7RAK | 乙醇发酵 | ATG32 | Atg32 | 调控 | 在Ginjo清酒酿造和最小合成培养基条件下，敲除ATG32的清酒酵母发酵性能增强 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4743 | 自噬 | ATG8 | Atg8 | 调控 | 一般自噬相关基因，敲除后发酵能力降低 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4743 | 自噬 | ATG11 | Atg11 | 调控 | 一般自噬相关基因，敲除后发酵能力降低 |
| Saccharomyces cerevisiae sake yeast strain | 线粒体自噬 | ATG32 | Atg32 | 调控 | 介导线粒体向液泡的降解，在清酒酿造中观察到该过程 |
关键发现
- ['在清酒酿造中，野生型清酒酵母发生Atg32依赖的线粒体自噬，而atg32Δ突变株中不发生。', '实验室BY4743 atg32Δ菌株的最大CO2产生速率较亲本提高7.50%（11.0±0.146 vs
- 3±0.167 g/L/day），最终乙醇浓度提高2.12%。', '在Ginjo清酒酿造条件下，atg32Δ清酒酵母的最大CO2产生速率较亲本提高6.28%（14.1±0.126 vs
- 2±0.179 g/L/day）。', '在最小合成培养基中，atg32Δ清酒酵母最终乙醇浓度为72.2±0.132 g/L，比亲本（70.2±0.246 g/L）提高2.76%；CO2产量为1.58±0.0116 mol/L，显著高于亲本（1.56±0.00919 mol/L）；生物量显著降低（0.228±0.0212 vs
- 309±0.0238 g/L），乙醇得率显著提高（0.481 vs
- 468 g/g）。', '敲除一般自噬基因ATG8或ATG11的突变株发酵能力显著降低，表明只有抑制线粒体自噬才能增强发酵。']
研究结论
抑制线粒体自噬能够增强清酒酵母的乙醇发酵能力，其机制可能是将碳流从生物量合成转向乙醇生成，该策略对工业生物乙醇生产具有潜在应用价值。