Engineering Yarrowia lipolytica to Simultaneously Produce Lipase and Single Cell Protein from Agro-industrial Wastes for Feed
- 作者
- Jinyong Yan, Bingnan Han, Xiaohua Gui, Guilong Wang, Li Xu, Yunjun Yan, Catherine Madzak, Dujie Pan, Yaofeng Wang, Genhan Zha, Liangcheng Jiao
- 杂志
- Scientific Reports（2018）
- DOI
- 10.1038/s41598-018-19238-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
饲料工业中脂质消化利用率低以及蛋白质资源短缺两大问题
研究策略
以解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）为宿主，通过同源过表达酸性耐消化脂肪酶，同时利用廉价的农业工业废弃物（甘蔗糖蜜、废食用油、粗甘油）实现脂肪酶与单细胞蛋白的联产，并开展体外模拟胃肠环境表征及体内鱼类饲喂评估
研究路线图
核心内容
该研究以解脂耶氏酵母为宿主，通过同源过表达酸性耐消化脂肪酶并引入蔗糖代谢基因，实现利用甘蔗糖蜜、废食用油和粗甘油等廉价农业工业废弃物同时生产脂肪酶和单细胞蛋白。最佳工程菌株YLY5在10升发酵罐中以甘蔗糖蜜培养基联产脂肪酶16420 U/ml（4.13 g/L）和单细胞蛋白151.2 g/L；在摇瓶水平，以废食用油或粗甘油为碳源时脂肪酶产量约为970 U/ml，单细胞蛋白约18-20 g/L。所得脂肪酶在pH 4-8下保留86%以上活性，经100°C处理30分钟仍保留39%活性，在模拟胃肠环境中保留72%活性，10分钟可水解81%豆油；单细胞蛋白粗蛋白含量45%-54%，必需氨基酸组成基本符合FAO标准。鱼类饲喂试验显示，4-8 U/g脂肪酶与2%单细胞蛋白组合可显著提高相对增重率和特定生长率。该研究首次实现利用工农业废弃物同时生产两种饲料添加剂，为缓解饲料行业脂质利用率低和蛋白质资源短缺问题提供了可行方案。
创新点
首次实现利用廉价工农业废弃物同时生产脂肪酶和单细胞蛋白用于饲料；获得的脂肪酶具有优异的耐酸、耐热及抗消化酶特性；在10升发酵规模下实现超高产量；通过体内鱼类饲喂实验证实其作为饲料添加剂的有效性
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Yarrowia lipolytica YLY5 | 脂质水解 | lip2 (lip) | Lip2脂肪酶 | 催化 | 同源过表达，基因登录号KY197472；最佳菌株在10升发酵罐产酶16420 U/ml |
| Yarrowia lipolytica YLY5 | 蔗糖代谢 | SUC2 | 蔗糖转化酶 | 催化 | 异源表达自酿酒酵母，赋予酵母利用蔗糖/糖蜜的能力，并作为URA3敲除的选择标记 |
| Yarrowia lipolytica YLY5 | 嘧啶生物合成 | URA3 | 乳清酸核苷-5'-磷酸脱羧酶 | 催化 | 通过同源重组敲除构建营养缺陷型宿主，用于筛选转化子 |
关键发现
- 最佳工程菌株YLY5在10升发酵罐中以甘蔗糖蜜培养基(YPM)同时产脂肪酶16420 U/ml（4.13 g/L）和单细胞蛋白151.2 g/L；在摇瓶水平，YLY5在YPD中脂肪酶活性2175 U/ml，YPS中2615 U/ml，YPM中3075 U/ml、SCP 39 g/L，废食用油培养基中脂肪酶980 U/ml、SCP
- 9 g/L，粗甘油培养基中脂肪酶969 U/ml、SCP
- 7 g/L；脂肪酶在pH 4-8保留86%以上活性，100°C处理30分钟保留39%活性；在模拟胃肠环境（含胰凝乳蛋白酶5 mg/ml、胃蛋白酶3.2 mg/ml、胰蛋白酶5 mg/ml、胆汁盐2 mM，pH 4）中保留72%活性，10分钟水解81%豆油；SCP粗蛋白含量45%-54%，必需氨基酸组成基本符合FAO标准（赖氨酸4.13%、苏氨酸3.12%、缬氨酸4.11%、蛋氨酸2.32%、异亮氨酸4.41%、亮氨酸5.13%、苯丙氨酸2.63%等）；鱼类饲喂试验表明4-8 U/g脂肪酶和2% SCP组合可显著提高相对增重率和特定生长率
研究结论
通过营养缺陷型宿主构建、信号肽优化和基因拷贝数增加，工程化解脂耶氏酵母可在甘蔗糖蜜培养基中同时高效生产脂肪酶和单细胞蛋白；所产脂肪酶具有优良的耐酸、耐热和抗消化酶特性，SCP富含必需氨基酸，二者均为优异的饲料添加剂，可同时解决饲料行业脂质利用和蛋白资源短缺问题