Enhanced production of xylitol from xylose by expression of Bacillus subtilis arabinose:H+ symporter and Scheffersomyces stipitis xylose reductase in recombinant Saccharomyces cerevisiae
- 作者
- Hyoju Kim, Hyun-Soo Lee, Haeseong Park, Dae-Hee Lee, Eckhard Boles, Donghwa Chung, Yong-Cheol Park
- 单位
- Department of Bio and Fermentation Convergence Technology and BK21 Plus Program, Kookmin University; Synthetic Biology and Bioengineering Research center, Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology; Institute for Molecular Biosciences, Department of Biological sciences, Goethe University Frankfurt; Graduate School of International Agricultural Technology, Institutes of Green Bio Science and Technology, Seoul National University
- 杂志
- Enzyme and Microbial Technology（2017）
- DOI
- 10.1016/j.enzmictec.2017.07.014
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
酿酒酵母对木糖的低效转运是木糖醇生产的瓶颈，缺乏木糖特异性转运体导致木糖摄取率低，影响木糖醇生产效率。
研究策略
在重组酿酒酵母中异源表达枯草芽孢杆菌的阿拉伯糖:H+同向转运体AraE和休哈塔假丝酵母的木糖还原酶XYL1，以增强木糖转运和木糖醇合成，并通过葡萄糖限制补料分批发酵优化生产。
核心内容
本研究在酿酒酵母中异源表达枯草芽孢杆菌的阿拉伯糖:H+同向转运体AraE与休哈塔假丝酵母的木糖还原酶XYL1，以解决木糖摄取效率低这一木糖醇生产的瓶颈。作者首先在hxt null突变体EBY.VW4000中验证AraE具有木糖特异性转运功能，其表达使木糖消耗率和木糖醇生产率较对照提高2.5至4.1倍；随后在野生型D452-2中通过多拷贝整合araE和XYL1构建菌株DXXA，批次培养中木糖醇产量达21.2 g/L，生产率0.44 g/L-h。在葡萄糖限制补料分批发酵中，DXXA菌株的木糖醇产量高达177.8 g/L，生产率为2.47 g/L-h，较仅表达XYL1的对照菌株批次培养分别提升26.9倍和17.6倍，且木糖醇得率接近理论值。结果表明AraE能在酿酒酵母细胞膜上正确锚定并高效介导木糖摄取，共表达转运体与还原酶的策略显著强化了木糖利用与木糖醇合成能力，为工业级木糖醇生产提供了高效的菌株构建方案。
创新点
首次在酿酒酵母中验证枯草芽孢杆菌AraE具有木糖特异性转运功能；利用hxt null突变体EBY.VW4000精确评估AraE的木糖转运活性；通过多拷贝整合araE和XYL1构建高效木糖醇生产菌株，在补料分批发酵中实现高浓度木糖醇生产。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae EBY.VW4000 | 木糖转运与木糖醇合成 | araE | AraE | 转运 | 来自Bacillus subtilis的阿拉伯糖:H+同向转运体，在hxt null突变体中验证其木糖转运功能 |
| Saccharomyces cerevisiae EBY.VW4000 | 木糖醇合成 | XYL1 | 木糖还原酶 (XR) | 催化 | 来自Scheffersomyces stipitis，催化木糖转化为木糖醇 |
| Saccharomyces cerevisiae D452-2 | 木糖转运与木糖醇合成 | araE | AraE | 转运 | 在野生型菌株中多拷贝表达，增强木糖摄取 |
| Saccharomyces cerevisiae D452-2 | 木糖醇合成 | XYL1 | 木糖还原酶 (XR) | 催化 | 单拷贝或多拷贝表达，提供木糖还原活性 |
关键发现
- 在hxt null突变体中，AraE表达使木糖消耗率和木糖醇生产率较对照提高2.5-4.1倍，其中EXHA菌株木糖消耗率为0.11 g/L-h、木糖醇生产率为0.09 g/L-h
- 在野生型D452-2中，DXA菌株木糖消耗率0.39 g/L-h、木糖醇产量18.1 g/L，较DX菌株（0.14 g/L-h、6.6 g/L）显著提高
- DXXA菌株（多拷贝araE和XYL1）在批次培养中木糖醇产量21.2 g/L、生产率0.44 g/L-h
- 葡萄糖限制补料分批培养中，DXXA菌株木糖醇产量达177.8 g/L，生产率为2.47 g/L-h，较DX菌株批次培养分别提高26.9倍和17.6倍
- 木糖醇得率均接近理论值(~1 g/g)。
研究结论
枯草芽孢杆菌AraE是一种有效的木糖转运体，能够在酿酒酵母中正确锚定于细胞膜并促进木糖摄取；共表达AraE和木糖还原酶显著增强木糖消耗和木糖醇生产能力，DXXA菌株在补料分批培养中实现高效木糖醇生产。