Deletion of JJJI improves acetic acid tolerance and bioethanol fermentation performance of Saccharomyces cerevisiae strains
- 作者
- Xuechang Wu, Lijie Zhang, Xinya Jin, Yahong Fang, Ke Zhang, Lei Qi, Daoqiong Zheng
- 单位
- College of Life Science, Zhejiang University; Ocean College, Zhejiang University
- 杂志
- Biotechnology Letters（2016）
- DOI
- 10.1007/s10529-016-2085-4
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
木质纤维素水解液中的乙酸抑制酿酒酵母生长和生物乙醇发酵，需提高菌株乙酸耐受性。
研究策略
通过敲除JJJ1基因（编号JJJI）构建乙酸耐受性提高的酿酒酵母突变株，并比较其与野生型在乙酸胁迫下的发酵性能和生理特性。
核心内容
该研究通过敲除酿酒酵母BY4741中的JJJ1基因，构建了乙酸耐受性提高的突变株BYΔJJJ1，并系统评估其在乙酸胁迫下的发酵性能与生理响应。在含4.5 g乙酸/L的培养基中，突变株的滞后相比野生型缩短约16 h，葡萄糖耗尽时间提前15 h，乙醇比生产速率由0.051 g/g h提升至0.057 g/g h。机制解析显示，JJJ1缺失使胞内乙酸含量在胁迫处理0.5至2 h内降低7.8%至15%，同时长链脂肪酸比例在乙酸处理前后分别提高6.3%和12.3%，海藻糖含量在1 h和2 h时分别高出38%和54%，过氧化氢酶基因CTT1和CTA1表达量分别上调33.5%和50%。结果表明，JJJ1缺失通过增强细胞膜完整性、渗透调节和抗氧化能力，显著缓解乙酸对菌株的毒性抑制，为木质纤维素水解液中高效生物乙醇发酵提供了新的遗传改造靶点。
创新点
['发现JJJ1缺失显著提高酿酒酵母乙酸耐受性，缩短滞后相并提高乙醇比生产速率。', '首次从长链脂肪酸比例、海藻糖积累和过氧化氢酶活性角度阐明JJJ1缺失介导乙酸耐受的机制。']
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae BY4741 | 乙酸盐转运/扩散 | FPS1 | Fps1p | 转运 | 质膜水甘油通道蛋白，介导乙酸摄取；乙酸胁迫下表达下调41%，但JJJ1敲除不影响其表达 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4741 | 乙酸输出/多药转运 | TPO2, TPO3 | Tpo2p, Tpo3p | 转运 | MFS超家族转运蛋白，乙酸胁迫下表达分别上调3.5倍和3.2倍，与乙酸输出相关 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4741 | 脂肪酸延伸 | ELO1, ELO2, ELO3 | Elop | 催化 | 脂肪酸延长酶，JJJ1敲除株中表达上调，导致长链脂肪酸比例增加 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4741 | 海藻糖代谢 | TPS1, TPS2, TPS3, TSL1, NTH1, NTH2, ATH1 | 海藻糖合成酶和分解酶 | 催化 | 乙酸胁迫下NTH1/NTH2/ATH1在JJJ1敲除株中表达较野生型低30%、23%、23%，导致海藻糖积累 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4741 | 抗氧化/过氧化氢清除 | CTT1, CTA1 | 过氧化氢酶（Catalase） | 催化 | 乙酸胁迫下JJJ1敲除株中CTT1和CTA1表达分别比野生型高33.5%和50%，CAT活性更高 |
| Saccharomyces cerevisiae YJSH1 | 核糖体生物发生/伴侣蛋白 | JJJ1 | Jjj1p | 调控 | Hsp40共伴侣蛋白，参与60S核糖体亚基生物发生；工业菌株中敲除同样提高乙醇发酵速率 |
关键发现
- 在含4.5 g乙酸/L的发酵培养基中，JJJ1敲除株BYΔJJJ1的滞后相比亲本BY4741缩短约16 h，葡萄糖耗尽时间提前约15 h
- 乙醇比生产速率由0.051 g/g h提高至0.057 g/g h。JJJ1敲除株在乙酸处理0.5、1、2 h时胞内乙酸含量分别比野生型低15%、7.8%和12%。乙酸处理前后，BYΔJJJ1的长链脂肪酸比例分别比BY4741高6.3%和12.3%，海藻糖含量在乙酸处理1 h和2 h时分别高38%和54%，过氧化氢酶基因CTT1和CTA1表达量分别高33.5%和50%。
研究结论
JJJ1缺失能够提高酿酒酵母的乙酸耐受性和乙醇发酵性能，其机制涉及增加长链脂肪酸比例、提高海藻糖积累和过氧化氢酶活性。