Extending our tools and resources in the non-conventional industrial yeast Xanthophyllomyces dendrorhous through the application of metabolite profiling methodologies
- 作者
- Eugenio Alcalde, Paul D. Fraser
- 单位
- School of Biological Sciences, Royal Holloway, University of London
- 杂志
- Metabolomics（2018）
- DOI
- 10.1007/s11306-017-1313-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
开发适用于非常规工业酵母Xanthophyllomyces dendrorhous的代谢物谱分析方法，以支持其作为高价值萜类化合物生产平台的菌株改良和系统代谢工程研究。
研究策略
系统比较四种淬灭方法与五种提取方法，结合GC-MS和UPLC-PDA分析，建立定制AMDIS代谢物库，并在标准生长周期的延迟期、指数期、早期稳定期和晚期稳定期测定代谢物稳态变化，采用PCA、热图和Pearson相关性分析揭示代谢物动态及与虾青素合成的关联。
研究路线图
核心内容
本研究系统建立了非常规工业酵母Xanthophyllomyces dendrorhous的代谢物谱分析流程。通过比较四种淬灭方法与五种提取方法，确定NaCl洗涤淬灭结合氯仿/甲醇提取为最优组合，该组合可检出超过90个目标化合物，标准品回收效率达1.00–1.41。研究首次为该菌株构建了包含400多个化合物条目的AMDIS GC-MS库，常规可定量检测78个代谢物。在标准生长周期四个阶段（延迟期、指数期、早期和晚期稳定期）的代谢物动态分析显示，培养7天后虾青素含量较第1天增加3.32倍，而八氢番茄红素降至0.12倍，麦角固醇降至0.60倍。有机酸、糖酸和非氨基酸含氮化合物分别显著增加2.5倍、3倍和4倍。相关性分析首次揭示虾青素合成与TCA循环中间物（柠檬酸、乌头酸、苹果酸）及短链饱和脂肪酸（C14–C17）呈正相关，而与长链饱和脂肪酸、甘油磷脂和麦角固醇呈负相关。这些结果表明特定中间代谢区室与虾青素积累密切相关，可作为未来代谢工程改造的潜在靶点，以进一步提升该工业酵母的萜类化合物产量。
创新点
首次为Xanthophyllomyces dendrorhous建立包含超过400个化合物条目的AMDIS GC-MS库；确定NaCl洗涤淬灭与氯仿/甲醇提取为该菌株的最优代谢物谱分析组合；通过相关性分析首次揭示虾青素合成与TCA循环、氨基酸及短链饱和脂肪酸等中间代谢区室的正相关关系。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Xanthophyllomyces dendrorhous CBS 6938 | 全细胞代谢 | — | — | — | 野生型菌株，培养于YPD培养基，22°C，140rpm光照 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 甲羟戊酸途径（萜类前体合成） | — | 法尼基二磷酸合酶 (FPPS) | 催化 | IPP→FPP |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 甲羟戊酸途径（萜类前体合成） | — | 香叶基香叶基二磷酸合酶 (GGPPS) | 催化 | FPP→GGPP |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 类胡萝卜素合成 | — | 八氢番茄红素合酶 (phytoene synthase) | 催化 | 两分子GGPP缩合生成八氢番茄红素 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 类胡萝卜素合成 | — | 八氢番茄红素脱氢酶 (phytoene desaturase) | 催化 | 四步脱氢形成番茄红素 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 类胡萝卜素合成 | — | 番茄红素环化酶 (lycopene cyclase) | 催化 | 番茄红素环化形成β-胡萝卜素 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 类胡萝卜素合成 | — | 虾青素合酶 (astaxanthin synthase, P450型) | 催化 | β-胡萝卜素经3,3'羟基化和4,4'酮基化生成虾青素 |
关键发现
- 所有淬灭方法回收率在0.77–1.22之间，其中NaCl洗涤法检出的目标化合物数量最多（>90个）
- 氯仿/甲醇提取效率最高（标准品回收效率1.00–1.41）。建立的AMDIS库含400多个化合物，常规可检测定量78个代谢物。培养7天后虾青素含量较第1天增加3.32倍（3.32±0.30），β-胡萝卜素保持稳定（1.10±0.15倍），八氢番茄红素降至0.12±0.13倍，麦角固醇降至0.60±0.09倍。有机酸、糖酸和非氨基酸含氮化合物分别显著增加2.5倍、3倍和4倍。虾青素与TCA循环中间物（如柠檬酸、乌头酸、苹果酸）及短链饱和脂肪酸（C14–C17）正相关，与长链饱和脂肪酸、甘油磷脂、麦角固醇和八氢番茄红素负相关。
研究结论
本研究为Xanthophyllomyces dendrorhous建立了一套稳健的代谢物谱分析流程，可准确测定其生长过程中代谢物的稳态变化。分析表明虾青素积累与特定中间代谢区室正相关，这些区室可作为未来代谢工程改造的靶点，以进一步提高该工业酵母的萜类化合物产量。