Engineering of glycerol utilization pathway for ethanol production by Saccharomyces cerevisiae
- 作者
- Kyung Ok Yu, Seung Wook Kim, Sung Ok Han
- 单位
- School of Life Science and Biotechnology, Korea University; Department of Chemical and Biological Engineering, Korea University
- 杂志
- Bioresource Technology（2010）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2010.01.066
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
酿酒酵母天然利用甘油产乙醇的效率低，如何通过代谢工程改造甘油利用途径以提高乙醇产量
研究策略
同时过表达甘油脱氢酶（Gcy）和二羟丙酮激酶（Dak）以增强甘油向糖酵解中间体磷酸二羟丙酮的转化，并过表达甘油摄取蛋白（Gup1）以增强甘油摄取
研究路线图
核心内容
该研究针对酿酒酵母天然利用甘油产乙醇效率低的问题，通过代谢工程手段对甘油利用途径进行系统改造。研究在酿酒酵母YPH499中同时过表达甘油脱氢酶（Gcy）和二羟丙酮激酶（Dak）以增强甘油向糖酵解中间体磷酸二羟丙酮的转化，并进一步引入甘油摄取蛋白（Gup1）以强化底物转运。在含20 g/L甘油的培养基中培养96小时后，三基因共过表达菌株YPH499(pGcyDak,pGupCas)产生2.4 g/L乙醇，较野生型的0.69 g/L提高3.4倍；仅过表达Gcy和Dak的菌株产生1.66 g/L乙醇，提高2.4倍。甘油消耗速率提升1.6倍，48小时消耗16.4 g/L甘油（野生型约10 g/L），酶活测定显示甘油脱氢酶活性达1.08 U/mg、二羟丙酮激酶活性0.35 U/mg。该工作首次在酿酒酵母中通过协同强化甘油摄取与胞内转化实现甘油到乙醇的高效转化，证明了利用生物柴油副产物甘油生产乙醇的可行性，但当前乙醇产率仍偏低，需进一步优化代谢通量分配与发酵条件方能满足工业应用需求。
创新点
首次在酿酒酵母中通过同时过表达Gcy、Dak和Gup1实现甘油到乙醇的高效转化，显著提高乙醇产量
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae YPH499 | 甘油发酵代谢途径 | GCY | 甘油脱氢酶 (Gcy) | 催化 | 催化甘油转化为二羟丙酮，在GAL1启动子控制下过表达 |
| Saccharomyces cerevisiae YPH499 | 甘油发酵代谢途径 | DAK | 二羟丙酮激酶 (Dak) | 催化 | 催化二羟丙酮磷酸化为磷酸二羟丙酮，在GAL10启动子控制下过表达 |
| Saccharomyces cerevisiae YPH499 | 甘油转运 | GUP1 | 甘油摄取蛋白 (Gup1) | 转运 | 介导甘油通过质子同向转运系统进入细胞，通过整合型质粒pGupCas过表达 |
关键发现
- YPH499(pGcyDak,pGupCas)菌株在含有20 g/L甘油培养基中培养96 h后产生2.4 g/L乙醇，比野生型（0.69 g/L）提高3.4倍
- 仅过表达Gcy和Dak的菌株产生1.66 g/L乙醇，提高2.4倍
- 甘油消耗速率提高1.6倍（48 h消耗16.4 g/L vs 10 g/L）
- 酶活测定显示甘油脱氢酶活性达1.08 U/mg，二羟丙酮激酶活性0.35 U/mg
研究结论
通过代谢工程改造酿酒酵母的甘油利用途径（过表达Gcy、Dak和Gup1）可有效将甘油转化为乙醇，证明了利用 biodiesel 副产物甘油生产乙醇的可行性，但乙醇产率仍较低，需要进一步优化以实现工业应用