Ethylene production by metabolic engineering of the yeast Saccharomyces cerevisiae
- 作者
- I. Pirkov, E. Albers, J. Norbeck, C. Larsson
- 单位
- Department of Chemical and Biological Engineering—Molecular Biotechnology, Chalmers University of Technology, Kemivägen 10, 412 96 Göteborg, Sweden
- 杂志
- Metabolic Engineering（2008）
- DOI
- 10.1016/j.ymben.2008.06.006
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何将不能天然产生乙烯的酿酒酵母通过代谢工程改造为乙烯生产者，并提高乙烯产量与产率
研究策略
从植物致病菌丁香假单胞菌中克隆乙烯形成酶（EFE）基因，通过多拷贝质粒 pYX212 在酿酒酵母中表达；在可控生物反应器中进行好氧分批培养，在线监测乙烯生成；比较不同氮源（铵 vs 谷氨酸）对生产的影响
核心内容
该研究首次将丁香假单胞菌的乙烯形成酶基因克隆至多拷贝质粒pYX212，在酿酒酵母中实现异源表达，从而赋予其乙烯生产能力。通过可控生物反应器好氧分批培养并在线监测乙烯动态生成，系统比较了铵和谷氨酸两种氮源对发酵性能的影响。结果表明，摇瓶中以铵为氮源时最高乙烯生产速率为240微克/升/小时，改用谷氨酸后提升至420微克/升/小时，几乎翻倍；在生物反应器中谷氨酸替代铵使最大生产率增幅超过100%，且乙醇呼吸阶段仍持续产乙烯。最终乙烯总产量从铵条件下的320微克/克葡萄糖升至谷氨酸条件下的890微克/克葡萄糖，差异显著。但碳流向乙烯的比例极低，铵条件下不足0.1%，谷氨酸条件下约0.2%，表明产量仍有较大提升空间。此外，带HA或GFP标签及线粒体靶向的EFE均未检测到活性。该工作证明酵母可成为乙烯生产的替代平台，氮源优化是提升异源代谢途径效率的有效策略。
创新点
首次在酿酒酵母中异源表达 Pseudomonas syringae 的乙烯形成酶实现乙烯生产；采用在线气相色谱监测生物反应器中乙烯动态生成；发现用谷氨酸替代铵作为氮源可显著提高乙烯产量和产率
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 乙烯合成途径 | efe | EFE（乙烯形成酶） | 催化 | 来自 Pseudomonas syringae，催化 2-酮戊二酸、精氨酸和氧气生成乙烯、CO2 和琥珀酸；使用 TP11 启动子表达；无标签时有活性，HA/GFP 标签或线粒体定位后无活性 |
| Saccharomyces cerevisiae | TCA循环相关代谢 | CIT1 | CIT1-EFE融合蛋白 | 区室化 | 利用 CIT1 线粒体靶向序列将 EFE 定位于线粒体，但该菌株未检测到乙烯产生 |
关键发现
- 摇瓶培养时，使用葡萄糖和铵作为氮源，最高乙烯生产速率为 240 μg/L/h（细胞密度约 1×10^7 cells/mL）；改用谷氨酸后最高生产速率提高到 420 μg/L/h，几乎翻倍。在生物反应器中，谷氨酸替代铵使最大生产率增加超过 100%，且乙醇呼吸阶段也有持续乙烯生成。最终乙烯总产量：使用铵时为 320±90 μg/g 葡萄糖（SD, n=3），使用谷氨酸时为 890±160 μg/g 葡萄糖（SD, n=3），差异显著（p<0.1）。碳流向乙烯的比例极低，铵条件下小于
- 1%，谷氨酸条件下约
- 2%（计入谷氨酸碳源则低于
- 1%）。带有 HA 或 GFP 标签的 EFE 蛋白以及线粒体靶向定位的 EFE 均未检测到乙烯产生
研究结论
通过表达来自丁香假单胞菌的乙烯形成酶，成功将酿酒酵母改造为乙烯生产者；在可控生物反应器中，以谷氨酸替代铵作为氮源可显著提高乙烯的生产率和总产量。