Overexpression of RCK1 improves acetic acid tolerance in Saccharomyces cerevisiae
- 作者
- Eun Joong Oh, Na Wei, Suryang Kwak, Heejin Kim, Yong-Su Jin
- 单位
- Department of Food Science and Human Nutrition, University of Illinois at Urbana-Champaign; Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, University of Illinois at Urbana-Champaign; Department of Civil and Environmental Engineering and Earth Sciences, University of Notre Dame
- 杂志
- Journal of Biotechnology（2018）
- DOI
- 10.1016/j.jbiotec.2018.12.013
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
木质纤维素水解液中的乙酸会抑制酿酒酵母的发酵性能，需要鉴定新的遗传改造靶点以提高其乙酸耐受性。
研究策略
采用逆向代谢工程策略，通过酵母基因组文库筛选在乙酸胁迫下生长加快的转化子，鉴定出过表达基因RCK1，并在不同菌株中验证其过表达对乙酸耐受性的影响。
核心内容
本研究采用逆向代谢工程策略，通过酵母基因组文库筛选在乙酸胁迫下生长加快的转化子，鉴定出过表达基因RCK1，并在不同菌株背景中验证其对乙酸耐受性的影响。在含5 g/L乙酸和80 g/L葡萄糖的培养基中，过表达RCK1的菌株D423R在48小时内消耗完全部葡萄糖，而对照菌株仅消耗13 g/L；其比葡萄糖消耗率达0.865 g/g cell·h，约为对照的1.8倍，比乙醇生产率也接近对照的2倍。在含5 g/L乙酸和40 g/L木糖的条件下，过表达RCK1的木糖利用菌株SR8R在96小时内消耗13 g/L木糖，对照菌株则完全无法利用木糖。机制研究显示，RCK1过表达在乙酸和H2O2胁迫下分别使胞内ROS水平降低40%和43%，表明其通过缓解氧化应激来增强乙酸耐受性。该研究首次报道RCK1过表达可同时改善葡萄糖和木糖发酵中的乙酸耐受性，为木质纤维素水解液发酵的菌株改造提供了新的靶点，其策略有望推广至其他发酵抑制物的耐受性改良。
创新点
首次报道RCK1过表达能够提高酿酒酵母的乙酸耐受性；证明RCK1过表达通过降低胞内活性氧（ROS）水平来缓解乙酸胁迫。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae CEN.PK2-1D | 乙酸应激响应/氧化应激 | RCK1 | Rck1 | 调控 | 用于基因组文库筛选，确认RCK1过表达可提高乙酸耐受性 |
| Saccharomyces cerevisiae D452-2 | 乙酸应激响应/氧化应激 | RCK1 | Rck1 | 调控 | 过表达RCK1显著改善葡萄糖发酵中的乙酸耐受性，提高糖消耗和乙醇生产率 |
| Saccharomyces cerevisiae SR8 | 乙酸应激响应/氧化应激 | RCK1 | Rck1 | 调控 | 木糖利用工程菌株，过表达RCK1使菌株能在乙酸存在下消耗木糖 |
关键发现
- 在含5 g/L乙酸和80 g/L葡萄糖的YP培养基中，过表达RCK1的菌株（D423R）在48小时内消耗完全部80 g/L葡萄糖，而对照菌株（D423C）仅消耗13 g/L
- D423R的比葡萄糖消耗率为0.865±0.008 g glucose/g cell·h，对照为0.468±0.037 g glucose/g cell·h
- D423R的比乙醇生产率为0.332±0.004 g ethanol/g cell·h，约为对照（0.153±0.003 g ethanol/g cell·h）的2倍。在含5 g/L乙酸和40 g/L木糖的培养基中，过表达RCK1的木糖利用菌株（SR8R）在96小时内消耗13 g/L木糖，而对照菌株（SR8C）不能消耗木糖。ROS测定显示，在乙酸胁迫下D423R较对照D423C降低40%的胞内ROS水平，在H2O2处理下降低43%
- 在木糖条件下SR8R的ROS水平也显著低于SR8C。
研究结论
通过逆向代谢工程鉴定的RCK1过表达可显著提高酿酒酵母在葡萄糖和木糖发酵中的乙酸耐受性，其机制与降低胞内ROS积累有关，该策略有望推广用于改善对其他发酵抑制物的耐受性。