高级醇 · 代谢工程文献库

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Enhancing Saccharomyces cerevisiae reactive oxygen species and ethanol stress tolerance for high-level production of protopanoxadiol

作者
Fanglong Zhao, Yanhui Du, Peng Bai, Jingjing Liu, Wenyu Lu, Yingjin Yuan
单位
School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University; Key Laboratory of System Bioengineering (Tianjin University), Ministry of Education; SynBio Research Platform, Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering (Tianjin)
杂志
Bioresource Technology（2017）
DOI
10.1016/j.biortech.2016.12.061
所属领域
代谢工程
关键词
Cells viabilityEthanol stress toleranceProtopanaxadiolROS toleranceSaccharomyces cerevisiae
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解决的核心问题

在酿酒酵母中高效生产原人参二醇（PPD）时，PPDS-CPR解偶联与乙醇胁迫协同诱导ROS大量积累，导致细胞活力下降和PPD产量受限。

研究策略

通过高表达细胞壁完整性相关基因SSD1增强乙醇耐受，并调控氧化胁迫响应基因YBP1表达以消耗胞内ROS，同时采用碳源阶段控制发酵策略。

研究路线图

100%
PPDS-CPR解偶联与乙醇胁迫协同诱导ROS积累，限制PPD产量
高表达SSD1增强细胞壁完整性与乙醇耐受
高表达YBP1调控氧化胁迫响应，消耗胞内ROS
SSD1高表达：ROS降低24.7%，乙醇耐受提升
YBP1高表达：ROS降低75.2%，细胞活力88.3%
构建W3a-ssPy菌株（SSD1+YBP1协同）
碳源阶段控制发酵策略
PPD产量达4.25 g/L，为迄今最高报道
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核心内容

该研究针对酿酒酵母生产原人参二醇（PPD）过程中，PPDS-CPR解偶联与乙醇胁迫协同诱导活性氧（ROS）大量积累、导致细胞活力下降和产量受限的问题，通过代谢工程策略提升菌株的双重胁迫耐受性。研究者首先在酿酒酵母W303-1a中过表达细胞壁完整性相关基因SSD1以增强乙醇耐受，随后调控氧化胁迫响应基因YBP1表达以消耗胞内ROS，并采用碳源阶段控制的发酵策略。结果显示，SSD1高表达使ROS水平降低24.7%，而YBP1高表达使ROS降低75.2%，84小时时细胞活力从71.3%提升至88.3%。最终构建的W3a-ssPy菌株在5 L发酵罐中PPD产量达4.25 g/L，为迄今报道的最高产量，DMD转化率维持在96%以上。该研究首次揭示了PPDS-CPR解偶联与乙醇胁迫对ROS释放的协同效应，通过组合强化细胞壁完整性与氧化胁迫响应，实现了PPD的高水平微生物发酵生产，为萜类化合物工业制造提供了可行的菌株改造策略。

创新点

['首次报道PPDS-CPR解偶联与乙醇胁迫对ROS释放的协同效应', '组合高表达SSD1和YBP1协同提升细胞活力，ROS降低75.2%，细胞活力从71.3%提升至88.3%', '在5 L发酵罐中实现PPD产量4.25 g/L，为迄今最高报道产量']

研究对象（12）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Saccharomyces cerevisiae W303-1a PPD合成途径 PPDS (CYP716A47) 原人参二醇合酶 催化 催化达玛烯二醇-II羟化生成PPD，同时释放ROS
Saccharomyces cerevisiae W303-1a PPD合成途径 CPR (ATR1) 细胞色素P450还原酶 催化 与PPDS偶联，解偶联导致ROS释放
Saccharomyces cerevisiae W303-1a 细胞壁完整性信号通路 SSD1 Ssd1p 区室化 高表达增强细胞壁完整性和乙醇耐受，使ROS水平降低24.7%
Saccharomyces cerevisiae W303-1a 氧化应激响应 YBP1 Ybp1p 调控 YAP1结合蛋白，高表达降低ROS 75.2%，提高细胞活力
Saccharomyces cerevisiae W303-1a 细胞壁合成 HSP150 Hsp150p 区室化 候选细胞壁完整性基因，用于筛选乙醇耐受
Saccharomyces cerevisiae W303-1a 细胞壁合成 SPI1 Spi1p 区室化 候选细胞壁蛋白基因，用于筛选乙醇耐受
Saccharomyces cerevisiae W303-1a 细胞壁合成 SED1 Sed1p 区室化 候选细胞壁蛋白基因，用于筛选乙醇耐受
Saccharomyces cerevisiae W303-1a 细胞壁合成 TIP1 Tip1p 区室化 候选细胞壁蛋白基因，用于筛选乙醇耐受
Saccharomyces cerevisiae W303-1a 氧化应激响应 TRX2 硫氧还蛋白 催化 YBP1过表达后表达上调1.8-8倍，参与ROS清除
Saccharomyces cerevisiae W303-1a 氧化应激响应 SOD1 超氧化物歧化酶 催化 YBP1过表达后表达上调，清除超氧阴离子
Saccharomyces cerevisiae W303-1a 氧化应激响应 GSH1 谷氨酸-半胱氨酸连接酶 催化 YBP1过表达后表达上调，参与谷胱甘肽合成
Saccharomyces cerevisiae W303-1a 氧化应激响应 GLR1 谷胱甘肽还原酶 催化 YBP1过表达后表达上调，维持谷胱甘肽还原态

关键发现

  1. SSD1高表达使ROS水平降低24.7%
  2. YBP1高表达使ROS降低75.2%，84 h时细胞活力从71.3±1.3%提高到88.3±1.4%
  3. 在5 L发酵罐中W3a-ssPy菌株PPD产量达4.25±0.18 g/L（19.48±0.28 mg/L/OD600），DMD转化率维持在96%以上，为迄今最高产量。

研究结论

通过增强细胞壁完整性和氧化胁迫响应，构建了同时耐受ROS和乙醇胁迫的酿酒酵母菌株W3a-ssPy，结合碳源阶段控制发酵，实现了PPD的高水平微生物发酵生产。