高级醇 · 代谢工程文献库

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Effects of Saccharomyces cerevisiae quorum sensing signal molecules on ethanol production in bioethanol fermentation process

作者
Jun Tian, Yunqin Lin, Xiaoying Su, Honghao Tan, Chaoyi Gan, Arthur J. Ragauskas
单位
Guangdong Provincial Key Laboratory of Agricultural & Rural Pollution Abatement and Environmental Safety, South China Agricultural University; Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The University of Tennessee; Center for Renewable Carbon, Department of Forestry, Wildlife and Fisheries, The University of Tennessee Institution of Agriculture; Joint Institute for Biological Sciences, Biosciences Division, Oak Ridge National Laboratory
杂志
Microbiological Research（2023）
DOI
10.1016/j.micres.2023.127367
所属领域
发酵工程
关键词
2-phenylethanolLactobacillus plantarumSaccharomyces cerevisiaebioethanolquorum sensing signaling molecules
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解决的核心问题

工业生物乙醇发酵中乳酸菌污染导致乙醇产量下降，现有抗生素防治存在耐药性和环境污染问题，需寻找安全有效的替代方法。

研究策略

测定S. cerevisiae发酵过程中群体感应信号分子（2-苯乙醇、酪醇、色氨酸）的浓度；在S. cerevisiae单独发酵及与L. plantarum共发酵体系中外源添加这些信号分子，考察对乙醇产量、细胞生长和芽殖率的影响；利用qRT-PCR分析糖酵解、乙醛酸循环、TCA循环等关键基因表达变化。

研究路线图

100%
研究问题
乳酸菌污染致乙醇产量下降，需安全替代抗生素策略
研究策略
测定QS信号分子浓度；添加2-PE/酪醇/色氨酸；qRT-PCR分析关键基因
关键改造
共发酵体系外源添加120 mg/L 2-苯乙醇
结果一：信号分子浓度
2-PE 118.02 mg/L; 酪醇32.05; 色氨酸1.93
结果二：单发酵添加2-PE
9h乙醇3.2 g/L，提高58.7%
结果三：共发酵添加2-PE
12h乙醇5.6 g/L，芽殖率28.51%
结果四：基因表达
ADH1↓25%; MLS1↓26%; CIT2↓30%; IDH1↓22%; CIT1↓18%
结论
2-PE抑制乙醛酸循环和TCA循环，碳流转向乙醇合成；可替代抗生素应对污染
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核心内容

本研究以工业生物乙醇发酵中乳酸菌污染导致乙醇产量下降为背景，探讨了酿酒酵母群体感应信号分子对乙醇生产的影响。作者首先测定了酵母发酵过程中三种信号分子（2-苯乙醇、酪醇、色氨酸）的浓度变化，随后在酵母单独发酵及与植物乳杆菌共发酵体系中外源添加这些分子，并通过qRT-PCR分析关键代谢基因表达。结果显示，2-苯乙醇是唯一显著促进乙醇合成的信号分子：单独发酵时添加120 mg/L 2-苯乙醇使9 h乙醇浓度达3.2 g/L，较对照提高58.7%；共发酵体系中，该添加使12 h乙醇浓度恢复至5.6 g/L，与纯酵母发酵相当，酵母芽殖率回升至28.51%。基因表达分析表明，ADH1下调25%，而MLS1、CIT2、IDH1和CIT1分别下调26%、30%、22%和18%，说明2-苯乙醇通过抑制乙醛酸循环和TCA循环，将碳代谢流导向乙醇合成。该发现为工业生物乙醇生产中替代抗生素防治乳酸菌污染提供了可行策略。

创新点

首次将S. cerevisiae群体感应信号分子应用于L. plantarum污染的共发酵体系，发现2-苯乙醇能显著提高乙醇产量并减轻污染负面影响；揭示了2-苯乙醇通过抑制乙醛酸循环和TCA循环促进碳流转向乙醇合成的代谢调控机制。

研究对象（11）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Saccharomyces cerevisiae GIM2.188 糖酵解（EMP） HXK2 己糖激酶2 催化 磷酸化葡萄糖，外源2-PE处理下表达无显著变化
Saccharomyces cerevisiae GIM2.188 糖酵解（EMP） PFK1 磷酸果糖激酶-1 催化 催化果糖-6-磷酸磷酸化，表达无显著变化
Saccharomyces cerevisiae GIM2.188 糖酵解（EMP） PYK1 丙酮酸激酶 催化 催化磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸，表达无显著变化
Saccharomyces cerevisiae GIM2.188 糖酵解（EMP） ADH1 乙醇脱氢酶1 催化 催化乙醛还原为乙醇，外源2-PE处理下表达下调25%
Saccharomyces cerevisiae GIM2.188 磷酸戊糖途径（HMP） ZWF1 葡萄糖-6-磷酸脱氢酶 催化 催化葡萄糖-6-磷酸氧化，表达无显著变化
Saccharomyces cerevisiae GIM2.188 乙醛酸循环 ICL1 异柠檬酸裂解酶 催化 检测但无显著变化
Saccharomyces cerevisiae GIM2.188 乙醛酸循环 MLS1 苹果酸合酶 催化 外源2-PE处理下表达下调26%
Saccharomyces cerevisiae GIM2.188 乙醛酸循环 CIT2 柠檬酸合酶2 催化 外源2-PE处理下表达下调30%
Saccharomyces cerevisiae GIM2.188 三羧酸循环（TCA） IDH1 异柠檬酸脱氢酶1 催化 外源2-PE处理下表达下调22%
Saccharomyces cerevisiae GIM2.188 三羧酸循环（TCA） CIT1 柠檬酸合酶1 催化 外源2-PE处理下表达下调18%
Saccharomyces cerevisiae GIM2.188 三羧酸循环（TCA） KGD1 α-酮戊二酸脱氢酶复合物E1组分 催化 表达无显著变化

关键发现

  1. S. cerevisiae GIM2.188在144 h发酵中产生的2-苯乙醇、酪醇、色氨酸最高浓度分别为118.02 mg/L、32.05 mg/L和1.93 mg/L
  2. 外源添加120 mg/L 2-苯乙醇，9 h乙醇浓度达3.2 g/L，比对照提高58.7%
  3. 在共发酵中，添加120 mg/L 2-苯乙醇使12 h乙醇浓度达5.6 g/L，与单独酵母发酵相当，酵母芽殖率恢复至28.51%
  4. qRT-PCR显示ADH1表达下调25%，MLS1、CIT2、IDH1、CIT1分别下调26%、30%、22%、18%，表明乙醛酸循环和TCA循环被抑制。

研究结论

2-苯乙醇是三种群体感应信号分子中唯一能显著促进S. cerevisiae乙醇生产的信号分子，通过抑制乙醛酸循环和TCA循环将碳流转向糖酵解，增加乙醇积累；同时2-苯乙醇能减轻L. plantarum污染对酵母发酵的负面影响，可作为工业生物乙醇生产中抗生素的替代策略。