Yeast's balancing act between ethanol and glycerol production in low-alcohol wines
- 作者
- Hugh D. Goold, Heinrich Kroukamp, Thomas C. Williams, Ian T. Paulsen, Cristian Varela, Isak S. Pretorius
- 单位
- Department of Chemistry and Biomolecular Sciences, Macquarie University; New South Wales Department of Primary Industries; The Australian Wine Research Institute
- 杂志
- Microbial Biotechnology（2017）
- DOI
- 10.1111/1751-7915.12488
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
在保持葡萄酒风味和品质的前提下，降低高糖葡萄汁发酵产生的乙醇含量，同时提高甘油等副产物的生成，以实现葡萄酒的感官平衡。
研究策略
系统综述了降低葡萄酒酒精度的微生物学策略，包括非酿酒酵母共发酵、酵母杂交育种、适应性实验室进化、代谢工程及合成生物学方法，重点讨论如何将碳代谢从乙醇转向甘油。
核心内容
全球变暖导致葡萄酒产区糖分升高，发酵后乙醇含量逐年上升，过去30年暖产区红葡萄酒酒精度平均上升约2% (v/v)，已影响风味与消费健康。该综述系统梳理了降低葡萄酒乙醇的微生物学策略，包括非酿酒酵母共发酵、杂交育种、适应性进化、代谢工程和合成生物学，核心目标是将碳流从乙醇转向甘油。具体实例中，Metschnikowia pulcherrima可使霞多丽和西拉葡萄酒乙醇分别降低0.9%和1.6% (v/v)；S. cerevisiae与S. mikatae杂交株较亲本多产约20%甘油；经KCl适应进化200代后乙醇降低1.3% (v/v)、甘油增加41%；过表达GPD1或GPD2可使甘油浓度最高增加548%，双基因改造菌株将霞多丽和赤霞珠的乙醇从15.6%分别降至13.2%和12% (v/v)。然而，增加甘油生成受限于酵母氧化还原平衡扰动，易积累乙醛、乙酸等不良副产物。借助CRISPR等合成生物学工具及Sc2.0基因组项目，有望突破高甘油低乙醇菌株的代谢瓶颈，在保持风味的条件下实现低醇葡萄酒商业化。
创新点
整合了从传统育种到合成基因组学（如Sc2.0项目）的多种菌株开发策略，提出利用CRISPR等合成生物学工具突破高甘油/低乙醇酵母菌株的代谢瓶颈，并强调非工程化方法的优势。
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 甘油合成 | GPD1 | glycerol-3-phosphate dehydrogenase isozyme 1 | 催化 | 过表达可大幅增加甘油产量，最高达548% |
| Saccharomyces cerevisiae | 甘油合成 | GPD2 | glycerol-3-phosphate dehydrogenase isozyme 2 | 催化 | 过表达同样增加甘油产量 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甘油转运 | FPS1 | Fps1p | 转运 | 截短表达导致甘油持续泄漏，提高甘油产量 |
| Saccharomyces cerevisiae | 丙酮酸代谢 | PDC2 | pyruvate decarboxylase | 催化 | 缺失可减少乙醇生成 |
| Saccharomyces cerevisiae | 乙醇发酵 | ADH1, ADH3, ADH4, ADH5 | alcohol dehydrogenase | 催化 | 削弱乙醇脱氢酶活性可降低乙醇产量 |
| Saccharomyces cerevisiae | 糖酵解 | TPI1 | triose phosphate isomerase | 催化 | 缺失可促进甘油生成 |
| Saccharomyces cerevisiae | 乙醛代谢 | ALD1-6 | aldehyde dehydrogenase | 催化 | 缺失以减少乙酸生成，但可能增加乙醛 |
| Saccharomyces cerevisiae | 丁二醇代谢 | BDH1 | butanediol dehydrogenase | 催化 | 过表达可减少乙醛、乙酸和乙偶姻 |
| Saccharomyces cerevisiae | 葡萄糖氧化 | GOX1 | glucose oxidase | 催化 | 来自Aspergillus niger，将葡萄糖转化为葡萄糖酸，但厌氧条件下活性低 |
| Saccharomyces cerevisiae | 乳酸合成 | LDH | lactate dehydrogenase | 催化 | 来自Lactobacillus casei，将糖转向乳酸 |
| Saccharomyces cerevisiae | NADH氧化 | noxE | NADH oxidase | 催化 | 来自Lactococcus lactis，调节NAD+/NADH平衡 |
| Saccharomyces cerevisiae | 糖转运 | HXT1, HXT2, HXT3, HXT4, HXT6, HXT7 | hexose transporter | 转运 | 修饰可改变糖摄取，但过强限制会导致发酵停滞 |
| Saccharomyces cerevisiae | 葡萄糖阻遏 | MIG1 | Mig1p | 调控 | 缺失可解除呼吸相关基因的葡萄糖阻遏，但乙醇降低效果不显著 |
关键发现
- 过去30年来暖产区红葡萄酒酒精度平均上升约2% (v/v)
- 采用Metschnikowia pulcherrima可分别使Chardonnay和Shiraz葡萄酒的乙醇降低0.9%和1.6% (v/v)
- Starmerella bacillaris与S. cerevisiae顺序发酵使Barbera葡萄酒乙醇降低0.7% (v/v)
- S. cerevisiae×S. mikatae杂交株比亲本产约20%更多甘油
- 通过KCl适应性进化200代，乙醇降低1.3% (v/v)，甘油产量增加41%
- 通过亚硫酸盐适应性进化300代，甘油产量增加46%
- 过表达GPD1/GPD2可使甘油浓度增加高达548%
- 双GM菌株将Chardonnay和Cabernet Sauvignon的乙醇从15.6%分别降至13.2%和12% (v/v)。
研究结论
通过增加甘油生成来降低乙醇的策略受限于酵母氧化还原平衡的扰动，导致乙醛、乙酸等不良副产物积累。需借助合成生物学和基因组编辑等新技术，在维持风味前提下实现低酒精葡萄酒的商业化生产。