Relationship of trehalose accumulation with ethanol fermentation in industrial Saccharomyces cerevisiae yeast strains
- 作者
- Pin-Mei Wang, Dao-Qiong Zheng, Xiao-Qin Chi, Ou Li, Chao-Dong Qian, Tian-Zhe Liu, Xiao-Yang Zhang, Feng-Guang Du, Pei-Yong Sun, Ai-Min Qu, Xue-Chang Wu
- 单位
- Ocean College, Zhejiang University, Hangzhou 310058, Zhejiang Province, China; Institute of Microbiology, College of Life Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, Zhejiang Province, China; State Key Laboratory of Motor Vehicle Biofuel Technology, Nanyang 473000, Henan Province, China; Fujian Provincial Key Laboratory of Chronic Liver Disease and Hepatocellular Carcinoma, Xiamen University Affiliated Zhongshan Hospital, Xiamen 361004, Fujian Province, China
- 杂志
- Bioresource Technology（2014）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2013.11.033
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
工业酿酒酵母在超高浓度（VHG）发酵中面临高渗和乙醇胁迫，海藻糖积累在工业菌株中的保护作用及机制尚不清楚。
研究策略
通过过表达海藻糖-6-磷酸合酶基因TPS1和敲除酸性海藻糖酶基因ATH1构建具有不同胞内海藻糖含量的工业酵母工程菌，比较其与野生菌在常规和VHG发酵中的发酵性能、胁迫耐受性、细胞活力、膜完整性及抗氧化能力。
核心内容
本研究以工业酿酒酵母菌株ZS为对象，通过过表达海藻糖-6-磷酸合酶基因TPS1和敲除酸性海藻糖酶基因ATH1，构建了胞内海藻糖含量不同的工程菌株（ZSptps1、ZS.ath1和ZSpt1A），并与野生菌在常规（160 g/L葡萄糖）和超高浓度（VHG，270 g/L葡萄糖）发酵条件下比较了发酵性能、胁迫耐受性、细胞活力、膜完整性及抗氧化能力。结果显示，三株工程菌在VHG发酵中乙醇产量分别比野生菌提高8.7%、7.4%和11.1%，而常规发酵无显著差异。其中ZSpt1A在30%葡萄糖和20%乙醇胁迫下胞内海藻糖含量分别达55.7和40.2 mg/g干重，均显著高于野生菌；20%乙醇胁迫2小时后其活细胞比例为68.9%，而野生菌仅37.9%。此外，ZSpt1A的过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性在胁迫条件下分别比野生菌高约18%和15%左右。该研究证明海藻糖的保护作用依赖于其含量和胁迫强度，通过维持膜完整性和提升抗氧化酶活性增强工业菌株的VHG发酵性能，为海藻糖代谢工程在工业酵母菌株改良中的应用提供了依据。
创新点
首次在工业酵母菌株中研究海藻糖积累对VHG发酵的保护作用；证明海藻糖的保护作用依赖于其含量和胁迫水平；采用G418和Zeocin抗性标记进行基因操作，避免影响工业菌株乙醇产量的营养缺陷型标记。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae 工业菌株 ZS | 海藻糖代谢 | TPS1 | 海藻糖-6-磷酸合酶 (Tps1) | 催化 | 过表达以增加海藻糖合成 |
| Saccharomyces cerevisiae 工业菌株 ZS | 海藻糖代谢 | ATH1 | 酸性海藻糖酶 (Ath1) | 催化 | 基因敲除以减少海藻糖降解 |
| Saccharomyces cerevisiae 工业菌株 ZS (ZSpt1A) | 抗氧化防御 | — | 超氧化物歧化酶 (SOD) | 催化 | 工程菌中酶活性显著高于野生菌 |
| Saccharomyces cerevisiae 工业菌株 ZS (ZSpt1A) | 抗氧化防御 | — | 过氧化氢酶 (CAT) | 催化 | 工程菌中酶活性显著高于野生菌 |
关键发现
工程菌ZSptps1、ZS.ath1和ZSpt1A在VHG发酵（270 g/L葡萄糖）中的乙醇产量分别比野生菌ZS提高(8.7±0.8)%、(7.4±0.6)%和(11.1±0.9)%，而常规发酵（160 g/L葡萄糖）无显著差异。ZSpt1A菌株在YPD、30%葡萄糖和20%乙醇条件下胞内海藻糖含量分别达到18.9±0.32、55.7±0.26和40.2±0.25 mg/g干重，均显著高于野生菌（11.3±0.35、39.3±0.38、29.5±0.33 mg/g干重）。VHG发酵中ZSpt1A海藻糖积累最高可达干重的(23.2±0.2)%，比野生菌高(30.5±1.3)%。在20%乙醇胁迫2 h后，ZS和ZSpt1A的活细胞比例分别为(37.9±1.2)%和(68.9±2.4)%。胁迫条件下ZSpt1A的CAT活性比ZS高(20.3±2.3)%（高渗）和(17.9±2.2)%（乙醇），SOD活性分别高(12.1±1.2)%和(19.2±2.2)%。
研究结论
海藻糖积累对工业酵母菌株的VHG发酵性能比常规发酵更为重要，其保护作用依赖于海藻糖含量和胁迫强度。工程菌通过维持细胞膜完整性、提高抗氧化酶（CAT和SOD）活性来增强胁迫耐受性。海藻糖代谢工程是提高工业酵母VHG发酵性能的潜在策略。