The glucose/xylose facilitator Gxf1 from Candida intermedia expressed in a xylose-fermenting industrial strain of Saccharomyces cerevisiae increases xylose uptake in SSCF of wheat straw
- 作者
- César Fonseca, Kim Olofsson, Carla Ferreira, David Runquist, Luís L. Fonseca, Bärbel Hahn-Hägerdal, Gunnar Lidén
- 单位
- Centro de Recursos Microbiológicos (CREM), Departamento de Ciências da Vida, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa; Instituto de Tecnologia Química e Biológica (ITQB), Universidade Nova de Lisboa; Department of Chemical Engineering, Lund University; Department of Applied Microbiology, Lund University
- 杂志
- Enzyme and Microbial Technology（2011）
- DOI
- 10.1016/j.enzmictec.2011.02.010
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
工业酿酒酵母菌株在木质纤维素水解液发酵中木糖摄取速率低，成为木糖乙醇发酵的瓶颈，限制乙醇生产效率。
研究策略
在三个工业木糖发酵酿酒酵母菌株（TMB3400、BH42、BH46）中异源表达来自Candida intermedia的葡萄糖/木糖转运蛋白Gxf1，并评估其对木糖摄取、生长及麦秆SSCF发酵性能的影响。
核心内容
该研究针对工业酿酒酵母在木质纤维素水解液中木糖摄取速率低、制约乙醇生产效率的问题，将来源于Candida intermedia的葡萄糖/木糖转运蛋白Gxf1异源表达于三个工业木糖发酵菌株（TMB3400、BH42、BH46）中，并评估其对木糖摄取和麦秆同步糖化共发酵（SSCF）的影响。结果表明，表达Gxf1使TMB3400菌株对D-木糖的整体Km从300±12 mM降至130±13 mM，亲和力提高约2.3倍；在4 g/L木糖下，工程菌株的初始比生长速率约为亲本的1.8倍。在SSCF中，木糖摄取率从76%提升至88%，但乙醇产率仍为0.38 g/g，终浓度约25 g/L，额外吸收的木糖大部分转化为木糖醇和甘油。Gxf1贡献了总木糖摄取的约50–60%。研究首次在工业菌株中整合表达Gxf1并用于未解毒麦秆SSCF，证明了增强转运可显著提高木糖消耗，但由于木糖还原酶和木糖醇脱氢酶步骤的辅因子不平衡，碳通量被导向副产物，乙醇产率未获提升，提示下游辅因子再生成为新的代谢瓶颈，需进一步改造以实现转运增强的充分利用。
创新点
首次在工业背景酿酒酵母中染色体整合表达Gxf1并用于未解毒麦秆SSCF；证明转运蛋白表达可显著提高木糖摄取，同时揭示了下游辅因子再生成为新的代谢控制点。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae TMB3400 | 木糖转运 | GXF1 | Gxf1 | 转运 | 来自Candida intermedia的葡萄糖/木糖转运蛋白，在TMB3400中表达形成菌株34006，显著提高木糖摄取。 |
| Saccharomyces cerevisiae TMB3400 | 木糖还原途径 | XYL1 | 木糖还原酶（XR） | 催化 | 催化D-木糖还原为木糖醇，消耗NADPH/NADH。 |
| Saccharomyces cerevisiae TMB3400 | 木糖醇代谢 | XYL2 | 木糖醇脱氢酶（XDH） | 催化 | 催化木糖醇氧化为D-木酮糖，产生NADH。 |
| Saccharomyces cerevisiae TMB3400 | 木酮糖代谢 | XKS1 | 木糖激酶（XK） | 催化 | 催化D-木酮糖磷酸化为D-木酮糖-5-磷酸。 |
| Saccharomyces cerevisiae BH42 | 木糖转运 | GXF1 | Gxf1 | 转运 | 在BH42中表达Gxf1，但木糖生长改善不显著。 |
| Saccharomyces cerevisiae BH46 | 木糖转运 | GXF1 | Gxf1 | 转运 | 在BH46中表达Gxf1，但木糖生长改善不显著。 |
关键发现
- 表达Gxf1使TMB3400菌株的D-木糖整体Km从300±12 mM降至130±13 mM（34006），亲和力提高约2.3倍；在4 g/L木糖下，34006的初始比生长速率（0.039 h^-1）约为亲本（0.022 h^-1）的1.8倍；SSCF中木糖摄取率从76%提高到88%，但乙醇产率均为0.38 g/g，终乙醇浓度约25 g/L；额外吸收的木糖大部分转化为木糖醇（产率0.26 vs
- 24 g/g）和甘油（0.07 vs
- 06 g/g）；Gxf1贡献了总木糖摄取的约50-60%。
研究结论
异源转运蛋白Gxf1的表达能有效增强工业酿酒酵母的木糖摄取，在SSCF中提高木糖消耗率，但由于木糖还原酶（XR）和木糖醇脱氢酶（XDH）步骤的辅因子不平衡，增加的碳通量被导向木糖醇和甘油等副产物，乙醇产率未获提升。因此，需要进一步改造下游辅因子代谢以充分利用增强的转运能力。