Screening and Growth Characterization of Non-conventional Yeasts in a Hemicellulosic Hydrolysate
- 作者
- Paola Monteiro de Oliveira, Daria Aborneva, Nemaiila Bonturi, Petri-Jaan Lahtvee
- 单位
- Institute of Technology, University of Tartu, Tartu, Estonia
- 杂志
- Frontiers in Bioengineering and Biotechnology（2021）
- DOI
- 10.3389/fbioe.2021.659472
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
酿酒酵母无法天然利用木糖，且需要大量代谢工程才能高效转化木质纤维素水解液中的混合糖；需筛选能天然利用木糖并耐受抑制物的非传统酵母，以提升生物炼制效率。
研究策略
从9株非传统酵母出发，在桦木半纤维素水解液（C5-Birch）中进行微孔板初筛，根据生长速率、滞后期和终OD选出4株（K. marxianus CBS 6556、S. stipitis CBS 5773、L. starkeyi DSM 70295、R. toruloides CCT 7815），进一步在摇瓶考察不同水解液浓度下的生长，最后在受控生物反应器中详细表征其生长、底物消耗和产物生成。
核心内容
针对酿酒酵母难以天然利用木糖并耐受水解液抑制物的问题，该研究系统筛选并表征了九株非传统酵母在桦木半纤维素水解液中的生长性能。通过微孔板初筛依据生长速率、滞后期和终OD选出四株候选菌，进一步在摇瓶和受控生物反应器中考察其底物消耗与产物合成。结果显示，Rhodotorula toruloides CCT 7815在总糖81 g/L的高浓度水解液中表现最优，最大比生长速率达0.23 h⁻¹，底物共消耗速率0.73 g/gdw·h，30小时内耗尽全部葡萄糖和木糖，同时积累脂质10.95 g/L（含量41%）及总类胡萝卜素1.72 mg/L。相比之下，Scheffersomyces stipitis CBS 5773虽能共利用糖但速率较低（0.37 g/gdw·h），最终生物量20.9 g/L并副产木糖醇；Kluyveromyces marxianus CBS 6556在50 g/L水解液中生长极差，最高比生长速率仅0.03 h⁻¹。该研究明确了R. toruloides CCT 7815可作为高浓度木质纤维素水解液中快速共利用混合糖并联产油脂和类胡萝卜素的潜在细胞工厂，为生物炼制菌株选育提供了重要参考。
创新点
系统比较了多种非传统酵母在同一工业半纤维素水解液中的生长与底物共利用模式；发现R. toruloides CCT 7815在高浓度水解液（81 g/L总糖）中仍能快速消耗所有糖且同时积累油脂和类胡萝卜素；指出木糖阶段底物消耗率和共利用能力的关键差异。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodotorula toruloides CCT 7815 | 木糖代谢 | — | 木糖还原酶 (XR) | 催化 | NADH/NADPH依赖，本研究中该菌株在81 g/L总糖水解液中表现最佳，30 h内消耗所有糖 |
| Rhodotorula toruloides CCT 7815 | 木糖代谢 | — | NADPH依赖的醛糖还原酶 | 催化 | 文献报道可作用于木糖和半乳糖 |
| Rhodotorula toruloides CCT 7815 | 脂质合成 | — | — | — | C/N=45条件下脂质含量41%，产量10.95 g/L |
| Rhodotorula toruloides CCT 7815 | 类胡萝卜素合成 | — | — | — | 总类胡萝卜素1.72 mg/L，含torularhodin 44.4%、torulene 15.2%、γ-carotene 17.5%、β-carotene 22.9% |
| Scheffersomyces stipitis CBS 5773 | 木糖代谢 | — | 木糖还原酶 (XR) | 催化 | 能利用NADH或NADPH作为辅因子 |
| Scheffersomyces stipitis CBS 5773 | 木糖代谢 | — | 木糖醇脱氢酶 (XDH) | 催化 | 木糖醇转化为木酮糖 |
| Scheffersomyces stipitis CBS 5773 | 木糖代谢 | — | 木酮糖激酶 (XK) | 催化 | 木酮糖磷酸化进入戊糖磷酸途径 |
| Kluyveromyces marxianus CBS 6556 | 木糖代谢 | — | 木糖还原酶 (XR) | 催化 | NADPH特异性 |
| Kluyveromyces marxianus CBS 6556 | 木糖代谢 | — | 木糖醇脱氢酶 (XDH) | 催化 | — |
| Kluyveromyces marxianus CBS 6556 | 木糖代谢 | — | 木酮糖激酶 (XK) | 催化 | — |
| Lipomyces starkeyi DSM 70295 | 木糖代谢 | — | — | — | 在50 g/L总糖水解液中三个生长阶段，最终生物量25.2 g/L，脂质含量10% |
| Rhodotorula toruloides CCT 0783 | 木糖代谢 | — | — | — | 初筛中表现不及CCT 7815，未进一步表征 |
| Rhodotorula kratochvilova CBS 321 | — | — | — | — | 长滞后11 h，低最终OD 0.33 |
| Yarrowia lipolytica DSM 8218 | 葡萄糖代谢 | — | — | — | 作为参考菌株，不天然消耗木糖 |
| Candida parapsilosis DSM 70125 | 阿拉伯糖醇代谢 | — | — | — | 筛选后未进一步表征 |
| Cyberlindnera jadinii DSM 70163 | — | — | — | — | 长滞后20 h，未进一步表征 |
关键发现
- R. toruloides CCT 7815在81 g/L总糖水解液中最大比生长速率0.23±0.02 h^-1，底物共消耗速率0.73±0.02 g/gdw*h，木糖消耗速率0.22±0.02 g/gdw*h，30 h耗尽所有糖；产脂质10.95±1.37 g/L（含量41%），总类胡萝卜素1.72±0.04 mg/L（torularhodin
- 4%、torulene
- 2%、γ-carotene
- 5%、β-carotene
- 9%）。S. stipitis CBS 5773在第二阶段比生长速率0.17±0.01 h^-1，共消耗速率0.37±0.03 g/gdw*h，最终生物量20.9 g/L，产木糖醇0.85 g/L。L. starkeyi DSM 70295最终生物量25.2 g/L，脂质含量10%。K. marxianus CBS 6556在50 g/L水解液中表现差，最终生物量仅5 g/L，最高μ为0.03 h^-1，2-苯乙醇最高0.032 g/L。初筛中K. marxianus葡萄糖期μ_max
- 55±0.01 h^-1，S. stipitis为0.38±0.02 h^-1，R. toruloides第二阶段μ_max
- 14±0.01 h^-1。
研究结论
R. toruloides CCT 7815是最有潜力的候选菌株，能在高浓度半纤维素水解液中快速共利用葡萄糖和木糖并积累油脂和类胡萝卜素，适合作为生物炼制细胞工厂；其他菌株可通过代谢工程或适应性进化改善木糖利用性能。