高级醇 · 代谢工程文献库

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5-Hydroxymethylfurfural induces ADH7 and ARI1 expression in tolerant industrial Saccharomyces cerevisiae strain P6H9 during bioethanol production

作者
Nicole Teixeira Sehnem, Angela da Silva Machado, Fernanda Cristina Bezerra Leite, Will de Barros Pita, Marcos Antonio de Morais Jr., Marco Antônio Zâchia Ayub
单位
Biotechnology & Biochemical Engineering Laboratory (BiotecLab), Federal University of Rio Grande do Sul; Interdepartmental Research Group in Metabolic Engineering, Federal University of Pernambuco; Department of Genetics, Federal University of Pernambuco
杂志
Bioresource Technology（2013）
DOI
10.1016/j.biortech.2013.01.063
所属领域
发酵工程
关键词
5-Hydroxymethylfurfural toleranceBioethanolGene expressionSaccharomyces cerevisiae
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解决的核心问题

木质纤维素水解液中的5-羟甲基糠醛(HMF)抑制酿酒酵母发酵，需获得高耐受菌株并阐明其分子机制，以实现第二代生物乙醇的经济生产。

研究策略

采用进化工程对工业酿酒酵母进行HMF耐受性驯化，筛选高耐受菌株P6H9，并比较耐受与敏感菌株在HMF存在下的基因表达、发酵动力学和酶活。

研究路线图

100%
HMF抑制酵母发酵，需高耐受菌株及机制
进化工程驯化HMF耐受性，筛选菌株P6H9
获9 g/L HMF耐受菌株，耐受性↑360%
转录分析：ADH7↑>550倍，ARI1↑>20倍
NADPH依赖HMF还原酶活性显著升高
乙醇产率0.33 g/g，发酵性能优异
P6H9具高HMF耐受性，ADH7/ARI1高表达驱动，可推广二代乙醇
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核心内容

该研究通过进化工程对工业酿酒酵母进行5-羟甲基糠醛（HMF）耐受性驯化，成功筛选出高耐受菌株P6H9，并系统解析了其耐受机制。研究比较了P6H9与亲本菌株及敏感菌株在HMF胁迫下的基因表达、发酵动力学和酶活差异。结果显示，P6H9可耐受9 g/L HMF，较亲本P6的耐受性提高360%；在5 g/L HMF存在下，ADH7基因表达上调超过550倍，ARI1基因表达上调超过20倍，而敏感菌株中这些基因几乎不表达。发酵性能方面，P6H9在5 g/L HMF下乙醇产率为0.33 g/g，体积产率达0.27 g/L/h，显著优于敏感菌株BY4741的0.07 g/L/h。酶活测定证实P6H9具有较高的NADPH依赖型HMF还原酶活性。该研究首次报道ADH7和ARI1在HMF耐受菌株中的极度上调，揭示了NADPH依赖的HMF还原解毒机制，为通过代谢工程改造酿酒酵母以提高第二代生物乙醇生产效率提供了重要的基因靶点和理论依据。

创新点

获得了可耐受9 g/L HMF的工业菌株P6H9（比亲本P6耐受性提高360%）；首次报道ADH7和ARI1在HMF耐受菌株中极度上调；结合生理分析和酶活验证了NADPH依赖的HMF还原机制。

研究对象（4）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Saccharomyces cerevisiae P6H9 HMF解毒/还原 ADH7 Adh7p 催化 NADPH依赖的肉桂醇脱氢酶家族，HMF存在时表达上调>550倍
Saccharomyces cerevisiae P6H9 HMF解毒/还原 ARI1 Ari1p 催化 NADPH依赖的醛酮还原酶，HMF存在时表达上调>20倍
Saccharomyces cerevisiae JP1 HMF解毒/还原 ADH6 Adh6p 催化 在JP1菌株中HMF诱导表达>11倍
Saccharomyces cerevisiae JP1 HMF解毒/还原 SFA1 Sfa1p 催化 在JP1菌株中HMF诱导表达>2倍

关键发现

  1. P6H9菌株在9 g/L HMF下可生长（较P6提高360%）
  2. 在5 g/L HMF存在下，ADH7表达上调>550倍，ARI1表达上调>20倍
  3. P6H9在5 g/L HMF下乙醇产率0.33 g/g（对照0.35 g/g），体积产率0.27 g/L/h（对照0.62 g/L/h），而敏感菌株BY4741的体积产率仅为0.07 g/L/h
  4. P6H9的NADPH依赖HMF还原酶活性显著高于其他菌株。

研究结论

通过进化工程获得的P6H9菌株具有优异的HMF耐受性和乙醇发酵能力，其表型与ADH7和ARI1的高表达及NADPH依赖的HMF还原活性密切相关，显示出用于第二代乙醇生产的潜力。