高级醇 · 代谢工程文献库

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Reduced production of higher alcohols by Saccharomyces cerevisiae in red wine fermentation by simultaneously overexpressing BAT1 and deleting BAT2

作者
Lijuan Ma, Shiyong Huang, Liping Du, Ping Tang, Dongguang Xiao
单位
Key Laboratory of Industrial Fermentation Microbiology, Ministry of Education; Tianjin Industrial Microbiology Key Laboratory; College of Biotechnology, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, People's Republic of China
杂志
Journal of Agricultural and Food Chemistry（2017）
DOI
10.1021/acs.jafc.7b01974
所属领域
代谢工程
关键词
3-methyl-1-butanolSaccharomyces cerevisiaehigher alcoholsisobutanolwine
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解决的核心问题

红酒发酵中酿酒酵母产生的高级醇含量过高，影响风味和健康，需在不影响发酵性能和低氨基甲酸乙酯（EC）产量的前提下降低高级醇生成。

研究策略

以低产EC的二倍体葡萄酒酵母YZ22为底盘，先通过同源重组将一个BAT2等位基因替换为PGK1启动子驱动的BAT1表达盒，再利用Cre/loxP系统删除另一个BAT2，获得同时过表达BAT1且缺失BAT2的突变株SYBB3。

研究路线图

100%
核心问题：红酒发酵中高级醇过高，影响风味与健康
底盘选择：低产EC的葡萄酒酵母YZ22（CAR1缺陷）
策略：同源重组+Cre/loxP系统进行基因改造
关键改造1：BAT2等位基因替换为PGK1p-BAT1表达盒
关键改造2：Cre/loxP删除第二个BAT2，获得SYBB3
结果1：BAT1表达量提升28倍，总高级醇降至292.83 mg/L（降幅36.9%）
结果2：尿素/EC无显著变化，发酵特性与亲本一致
结论：过表达BAT1+删除BAT2有效降低高级醇，且不影响发酵性能与EC安全
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核心内容

该研究以低产氨基甲酸乙酯（EC）的葡萄酒酵母YZ22为底盘，通过同源重组将一个BAT2等位基因替换为PGK1启动子驱动的BAT1表达盒，并利用Cre/loxP系统删除另一个BAT2，获得同时过表达BAT1且缺失BAT2的突变株SYBB3。结果显示，SYBB3中BAT1相对表达量较原菌提高28倍，异丁醇产量从94.75 mg/L降至57.43 mg/L（降低39.41%），3-甲基-1-丁醇从313.30 mg/L降至196.89 mg/L（降低37.18%），总高级醇含量从463.82 mg/L降至292.83 mg/L，低于400 mg/L的阈值。同时，尿素和EC产量分别维持在0.47–0.49 mg/L和7.29–7.43 μg/L，未发生显著变化，发酵特性（乙醇、残糖、总酸、pH）与亲本一致。该策略首次同时采用BAT1过表达与BAT2缺失，并发现单个BAT2缺失即可提升BAT1表达，提示BAT2可能作为BAT1的转录抑制因子。这一方法有效降低红酒发酵中高级醇生成而不影响发酵性能与安全指标，为改善葡萄酒品质提供了可行途径。

创新点

首次采用同时过表达BAT1和删除BAT2的策略降低高级醇；发现单个BAT2缺失即可提高BAT1表达，且BAT2可能作为BAT1的转录抑制因子。

研究对象（3）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Saccharomyces cerevisiae Ehrlich途径（支链氨基酸分解代谢） BAT1 Bat1p 催化 编码线粒体支链氨基酸转氨酶，过表达后促进α-酮酸向缬氨酸合成，减少高级醇生成
Saccharomyces cerevisiae Ehrlich途径（支链氨基酸分解代谢） BAT2 Bat2p 催化 编码胞质支链氨基酸转氨酶，删除两个等位基因后阻断支链氨基酸分解，降低高级醇合成
Saccharomyces cerevisiae 尿素循环 CAR1 精氨酸酶 催化 原菌YZ22为CAR1缺陷株，阻断精氨酸分解为尿素，从而降低EC生成；本研究在此基础上进行BAT1/BAT2改造

关键发现

  1. 突变株SYBB3中BAT1相对表达量比原菌YZ22提高28倍
  2. 异丁醇产量从94.75 mg/L降至57.43 mg/L（降低39.41%），3-甲基-1-丁醇从313.30 mg/L降至196.89 mg/L（降低37.18%）
  3. 总高级醇含量从463.82 mg/L降至292.83 mg/L，低于400 mg/L的阈值
  4. 尿素产量为0.47-0.49 mg/L，EC为7.29-7.43 μg/L，均未显著变化
  5. 发酵特性（乙醇、残糖、总酸、pH）与亲本无显著差异。

研究结论

同时过表达BAT1并删除BAT2能有效降低酿酒酵母在红酒发酵中高级醇的生成，且不影响发酵性能和EC/尿素含量，是一种改善红酒安全品质的有效策略。