Multi-Omics Analysis of Fatty Alcohol Production in Engineered Yeasts Saccharomyces cerevisiae and Yarrowia lipolytica
- 作者
- Jonathan Dahlin, Carina Holkenbrink, Eko Roy Marella, Guokun Wang, Ulf Liebal, Christian Lieven, Dieter Weber, Douglas McCloskey, Hong-Lei Wang, Birgitta E. Ebert, Markus J. Herrgard, Lars Mathias Blank, Irina Borodina
- 单位
- The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Technical University of Denmark, Kongens Lyngby, Denmark; iAMB - Institute of Applied Microbiology, ABB - Aachen Biology and Biotechnology, RWTH Aachen University, Aachen, Germany; Department of Biology, Lund University, Lund, Sweden
- 杂志
- Frontiers in Genetics（2019）
- DOI
- 10.3389/fgene.2019.00747
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
理解脂肪酸醇生物合成对宿主酿酒酵母和解脂耶氏酵母代谢的影响，以指导菌株工程改造。
研究策略
采用多组学方法（生理表征、RNA-seq转录组、13C代谢通量分析、胞内代谢组学）比较生产与非生产菌株在生长和氮耗竭阶段的差异。
核心内容
该研究通过多组学手段系统比较了酿酒酵母和解脂耶氏酵母中脂肪酸醇生产对宿主代谢的影响。作者在两种酵母中异源表达脂肪酰-CoA还原酶malFAR构建生产菌株，并结合生理表征、转录组、13C代谢通量分析和胞内代谢组学，在生长和氮耗竭阶段对比生产与非生产菌株。摇瓶培养96小时后，酿酒酵母生产菌株总脂肪醇产量为105±3 mg/L，解脂耶氏酵母为166±20 mg/L。酿酒酵母生产菌株最大比生长速率降低50%，最终OD仅为非生产菌株的约40%；解脂耶氏酵母生长不受抑制，最终OD反而达到非生产菌株的2.6倍。氮耗竭时，两种酵母的乙酰-CoA浓度分别下降约3倍和6.5倍，解脂耶氏酵母将约8%的碳转化为脂肪醇，而有机酸分泌显著减少。转录组分析显示，酿酒酵母中脂肪酸醇生产诱导了细胞壁应激反应，而解脂耶氏酵母中转运蛋白基因表达受氮耗竭和生产过程显著影响。该比较揭示了不同宿主对同一合成途径的代谢响应差异，为选择底盘和指导菌株改造提供了分子层面的依据。
创新点
首次对酿酒酵母和解脂耶氏酵母进行脂肪酸醇生产的多组学比较分析；发现脂肪酸醇生产在酿酒酵母中触发细胞壁应激反应；发现malFAR表达可缓解Y. lipolytica中HFD敲除导致的生长缺陷。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae ST6989 | 脂肪酸醇生物合成 | malFAR | 脂肪酰-CoA还原酶 (FAR) | 催化 | 来自Marinobacter alicola的脂肪酰-CoA还原酶，整合4个拷贝，由TDH3和TEF1启动子表达。 |
| Yarrowia lipolytica ST6987 | 脂肪酸醇生物合成 | malFAR | 脂肪酰-CoA还原酶 (FAR) | 催化 | 来自Marinobacter alicola的脂肪酰-CoA还原酶，整合4个拷贝，由GPD和TEFintron启动子表达。 |
| Saccharomyces cerevisiae ST6849/ST6989 | 脂肪醛/脂肪醇降解 | HFD1 | 脂肪醛脱氢酶 Hfd1p | 催化 | 敲除以减少脂肪酸醇降解。 |
| Yarrowia lipolytica ST6770/ST6987 | 脂肪醛/脂肪醇降解 | HFD1, HFD4 | 脂肪醛脱氢酶 | 催化 | 敲除两个最高活性的脂肪醛脱氢酶编码基因以减少脂肪酸醇降解。 |
| Saccharomyces cerevisiae ST6849/ST6989 和 Yarrowia lipolytica ST6770/ST6987 | 过氧化物酶体生成/β-氧化 | PEX10 | peroxin 10 | 区室化 | 敲除PEX10阻止过氧化物酶体形成，从而阻断β-氧化。 |
| Yarrowia lipolytica ST6770/ST6987 | 脂肪酸醇降解 | FAO1 | 脂肪醇氧化酶 | 催化 | 敲除以减少脂肪醇氧化。 |
| Yarrowia lipolytica | 乙酰-CoA合成 | — | ATP citrate lyase (ACL) | 催化 | 在Y. lipolytica中将柠檬酸转化为乙酰-CoA，是脂肪酸醇前体供应的关键酶。 |
关键发现
- 在96小时摇瓶培养中，S. cerevisiae生产菌株产生105±3 mg/L总脂肪醇，Y. lipolytica生产菌株产生166±20 mg/L总脂肪醇。S. cerevisiae生产菌株的最大比生长速率降低50%，最终OD达到非生产菌株的约40%
- Y. lipolytica生产菌株的最大比生长速率不受影响，最终OD是非生产菌株的2.6倍。氮耗竭阶段，S. cerevisiae和Y. lipolytica中乙酰-CoA浓度分别降低约3倍和6.5倍。Y. lipolytica中核糖5-磷酸、核酮糖5-磷酸和景天庚酮糖7-磷酸丰度约为S. cerevisiae的3倍。Y. lipolytica生产菌株的有机酸分泌速率降低2-3倍，异柠檬酸分泌速率降低约20倍
- 氮耗竭时，非生产菌株分泌约50%碳的有机酸，生产菌株约25%，生产菌株将约8%的碳转化为脂肪醇。葡萄糖摄取速率方面，S. cerevisiae在生长和氮耗竭阶段分别比Y. lipolytica高约13倍和5倍
- 两种酵母在生长阶段的摄取速率比氮耗竭阶段高约17倍和6倍。转录组分析表明，S. cerevisiae中脂肪酸醇生产诱导了细胞壁应激反应，而Y. lipolytica中氮耗竭和脂肪酸醇生产显著影响转运蛋白编码基因的表达。
研究结论
通过多组学分析揭示了脂肪酸醇生产对两种酵母宿主代谢的影响，如S. cerevisiae的细胞壁应激、Y. lipolytica的转运蛋白表达变化及有机酸分泌差异等，这些知识可用于指导进一步的菌株改进。