Temperature influences β-carotene production in recombinant Saccharomyces cerevisiae expressing carotenogenic genes from Phaffia rhodozyma
- 作者
- Feng Shi, Wubing Zhan, Yongfu Li, Xiaoyuan Wang
- 单位
- State Key Laboratory of Food Science and Technology, Jiangnan University; The Key Laboratory of Industrial Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University; National Engineering Laboratory for Cereal Fermentation Technology, Jiangnan University
- 杂志
- World Journal of Microbiology and Biotechnology（2013）
- DOI
- 10.1007/s11274-013-1428-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
温度对重组酿酒酵母表达Phaffia rhodozyma类胡萝卜素合成基因生产β-胡萝卜素的影响及其机制
研究策略
将P. rhodozyma CGMCC 2.1557的crtE、crtYB、crtI基因以及S. cerevisiae的截短HMG-CoA还原酶催化域基因cHMG1导入S. cerevisiae INVSc1，构建重组菌株Sc-EYBI和Sc-EYBIH，比较不同温度（20°C和30°C）下的细胞生长、β-胡萝卜素积累及目的基因转录水平
核心内容
该研究将来自Phaffia rhodozyma的crtE、crtYB、crtI基因导入酿酒酵母INVSc1，并组合表达截短的HMG-CoA还原酶催化域cHMG1，构建重组菌株Sc-EYBI和Sc-EYBIH，系统考察培养温度对β-胡萝卜素合成的影响。结果显示，20°C培养时Sc-EYBI的β-胡萝卜素产量达258.8 μg/g DCW，较30°C提高约59倍；引入cHMG1的Sc-EYBIH在20°C下产量进一步升至528.8 μg/g DCW。采用两阶段温度策略（30°C生长2天转20°C积累3天）可显著提升产量，较全程30°C提高7至8倍；添加麦角固醇合成抑制剂氟康唑后产量增至236.9 μg/g DCW，延长培养至144小时可使Sc-EYBIH产量达到537.6 μg/g DCW。低温下crt基因及cHMG1转录水平略高于30°C，提示低温促进产量主要源于转录增强及源自P. rhodozyma的酶在低温下活性更高。该研究证实温度是调控重组酵母类胡萝卜素合成的有效手段，且强化前体供给与阻断竞争途径可进一步放大低温带来的产量优势。
创新点
发现低温20°C培养显著提高重组酿酒酵母的β-胡萝卜素产量；额外表达cHMG1（HMG-CoA还原酶催化域）进一步大幅提升产量；通过温度调控实现β-胡萝卜素的高效积累
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae INVSc1 | 类异戊二烯合成途径（甲羟戊酸途径）→β-胡萝卜素合成途径 | crtE | CrtE（GGPP合酶） | 催化 | 来自Phaffia rhodozyma CGMCC 2.1557，催化FPP→GGPP |
| Saccharomyces cerevisiae INVSc1 | β-胡萝卜素合成途径 | crtYB | CrtYB（双功能酶：八氢番茄红素合酶/番茄红素环化酶） | 催化 | 来自Phaffia rhodozyma CGMCC 2.1557，催化两分子GGPP缩合生成八氢番茄红素及后续环化反应 |
| Saccharomyces cerevisiae INVSc1 | β-胡萝卜素合成途径 | crtI | CrtI（八氢番茄红素脱氢酶） | 催化 | 来自Phaffia rhodozyma CGMCC 2.1557，催化八氢番茄红素脱氢生成番茄红素 |
| Saccharomyces cerevisiae INVSc1 | 甲羟戊酸途径 | cHMG1 | HMG-CoA还原酶催化域（截短Hmg1） | 催化 | 来自Saccharomyces cerevisiae，编码HMG-CoA还原酶的催化结构域，解除反馈调节，增强甲羟戊酸途径通量 |
关键发现
- 重组菌Sc-EYBI在20°C培养时β-胡萝卜素产量为258.8±43.8 μg/g DCW，比30°C（4.3±2.5 μg/g DCW）高约59倍
- Sc-EYBIH在20°C时产量达528.8±13.3 μg/g DCW，比30°C（18.6±7.6 μg/g DCW）高27倍
- 30°C培养2天再转20°C培养3天，Sc-EYBI和Sc-EYBIH分别积累40.3±1.2和150.9±46.0 μg/g DCW，比全程30°C高8.4倍和7.1倍
- 添加60 mg/L氟康唑后Sc-EYBIH产量增至236.9±17.8 μg/g DCW
- 延长至144 h时产量分别达280.2±25.0（Sc-EYBI）和537.6±40.7（Sc-EYBIH）μg/g DCW
- 20°C下crt基因和cHMG1基因的转录水平略高于30°C
研究结论
温度显著影响重组酿酒酵母的β-胡萝卜素生物合成，20°C比30°C更有利于β-胡萝卜素积累，部分原因为低温下crt基因和cHMG1基因转录水平略高，可能还与源自P. rhodozyma的酶在低温下活性更高有关；额外表达cHMG1和阻断麦角固醇途径均可有效提高β-胡萝卜素产量