Significant enhancement of methionol production by co-expression of the aminotransferase gene ARO8 and the decarboxylase gene ARO10 in Saccharomyces cerevisiae
- 作者
- Sheng YIN, Tiandan LANG, Xiao XIAO, Li LIU, Baoguo SUN, Chengtao WANG
- 单位
- School of Food and Chemical Engineering, Beijing Technology & Business University, Beijing, China; Beijing Engineering and Technology Research Center of Food Additives, Beijing Technology & Business University, Beijing, China; Beijing Key Laboratory of Flavor Chemistry, Beijing Technology & Business University, Beijing, China
- 杂志
- FEMS Microbiology Letters（2017）
- DOI
- 10.1093/femsle/fnu043
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过代谢工程手段提高酿酒酵母中甲硫醇（3-甲硫基-1-丙醇）的产量，特别是增强Ehrlich途径中关键酶的表达。
研究策略
从酿酒酵母S288c中克隆氨基转移酶基因ARO8、ARO9和脱羧酶基因ARO10，构建单基因及双基因共表达载体（pYES-pgk-ARO8、pYES-pgk-ARO9、pYES-pgk-ARO10、pYES-pgk-ARO810、pYES-pgk-ARO910），转化酿酒酵母过表达，并通过摇瓶和补料分批发酵评估甲硫醇产量。
核心内容
本研究通过代谢工程策略强化酿酒酵母Ehrlich途径中关键酶的表达，以提高甲硫醇（3-甲硫基-1-丙醇）产量。研究人员从S288c菌株中克隆氨基转移酶基因ARO8、ARO9及脱羧酶基因ARO10，构建了单基因和双基因共表达载体，利用同一载体上独立的启动子/终止子控制多基因表达，转化酿酒酵母后通过摇瓶和补料分批发酵评估产量。结果显示，共表达ARO8与ARO10的工程菌株S810中氨基转移酶活性达4680 U/g细胞，较对照提高4倍以上，脱羧酶活性约为对照的6倍；摇瓶发酵中S810甲硫醇产量达1.27 g/L，较野生型提高51.8%，补料分批发酵72小时后产量达3.24 g/L，为野生型的1.3倍，首次突破3.0 g/L。研究表明，共表达氨基转移酶和脱羧酶可显著增强Ehrlich途径通量，为微生物法生产天然甲硫醇提供了有效策略。
创新点
首次通过共表达氨基转移酶基因ARO8与脱羧酶基因ARO10，使工程酿酒酵母菌株甲硫醇产量突破3.0 g/L；采用同一载体上独立启动子/终止子控制多基因表达，避免基因间相互干扰。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae S288c | Ehrlich途径（甲硫氨酸→甲硫醇） | ARO8 | Aro8p（芳香族氨基转移酶I/2-氨基己二酸转氨酶） | 催化 | 过表达使氨基转移酶活性提高至对照的4倍以上；单表达菌株S8和共表达菌株S810活性分别为4680±77 U/g细胞和4062±40 U/g细胞 |
| Saccharomyces cerevisiae S288c | Ehrlich途径（甲硫氨酸→甲硫醇） | ARO9 | Aro9p（芳香族氨基转移酶II） | 催化 | 过表达对氨基转移酶活性提升有限，菌株S9和S910活性分别为1962±112 U/g细胞和1645±45 U/g细胞，与野生型S288c（1780±31 U/g细胞）相当 |
| Saccharomyces cerevisiae S288c | Ehrlich途径（甲硫氨酸→甲硫醇） | ARO10 | Aro10p（苯丙酮酸脱羧酶） | 催化 | 过表达使脱羧酶活性提高约6倍；菌株S10、S810和S910活性分别为3538±73 U/g细胞、3448±19 U/g细胞和3286±27 U/g细胞 |
关键发现
- S8菌株氨基转移酶活性为4680±77 U/g细胞，较对照SCK（1007±158 U/g细胞）提高4倍以上
- S10菌株脱羧酶活性为3538±73 U/g细胞，约为SCK的6倍
- 摇瓶发酵中，共表达菌株S810甲硫醇产量达1.27 g/L，较野生型S288c提高51.8%，较空载体对照SCK提高68.8%
- 单表达ARO10的S10产量为1.12 g/L
- 补料分批发酵72 h后，S810产量达3.24 g/L，为野生型S288c的1.3倍
- 这是首次报道基因工程酵母通过共表达氨基转移酶和脱羧酶使甲硫醇产量超过3.0 g/L。
研究结论
共表达ARO8和ARO10可显著增强酿酒酵母Ehrlich途径中氨基转移酶和脱羧酶活性，从而大幅提高甲硫醇产量，为微生物法生产天然甲硫醇提供了有效策略。