Enhanced production of ethanol from glycerol by engineered Hansenula polymorpha expressing pyruvate decarboxylase and aldehyde dehydrogenase genes from Zymomonas mobilis
- 作者
- Won-Kyung Hong, Chul-Ho Kim, Sun-Yeon Heo, Lian Hua Luo, Baek-Rock Oh, Jeong-Woo Seo
- DOI
- 10.1007/s10529-010-0259-z
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用生物柴油副产物甘油为底物，通过工程化改造提高酵母菌株的乙醇产量。
研究策略
在甲基营养酵母Hansenula polymorpha中，将来自运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis）的丙酮酸脱羧酶基因pdc和乙醛脱氢酶II基因adhB置于组成型GAPDH启动子下表达；进一步共表达来自肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）的甘油脱氢酶基因dhaD和二羟丙酮激酶基因dhaKLM，以增强甘油利用和乙醇合成。
核心内容
研究人员以生物柴油副产物甘油为底物，在甲基营养酵母多形汉逊酵母中实现了乙醇产量的显著提升。他们将运动发酵单胞菌的丙酮酸脱羧酶基因pdc和乙醛脱氢酶II基因adhB置于组成型GAPDH启动子下表达，构建出重组菌株HpDL1-L/pYH-pdc-adhB，其乙醇产量达到2.74 g/l，是亲本菌株（0.83 g/l）的3.3倍。在此基础上，进一步共表达来自肺炎克雷伯菌的甘油脱氢酶基因dhaD和二羟丙酮激酶基因dhaKLM，以强化甘油利用途径，使乙醇产量提升至3.1 g/l，达到亲本菌株的3.7倍。酶活测定显示，Pdc活性提高121%，AdhII活性提高170%，而在共表达dhaDKLM的菌株中DhaD活性比亲本高54%。该工作首次在多形汉逊酵母中利用细菌来源的pdc和adhB基因，并通过组合表达甘油利用途径基因促进底物转化，证明异源表达策略能有效构建利用甘油产乙醇的酵母菌株。尽管当前产量低于细菌系统，但酵母高乙醇耐受性的优势使其在工业乙醇生产中具备应用潜力。
创新点
首次在多形汉逊酵母中利用细菌来源的pdc和adhB基因提高甘油产乙醇效率；通过组合表达甘油利用途径基因（dhaD和dhaKLM）进一步促进底物转化为乙醇。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Hansenula polymorpha DL1-L | 乙醇合成 | pdc | 丙酮酸脱羧酶（Pdc） | 催化 | 来自Zymomonas mobilis，由GAPDH启动子驱动表达 |
| Hansenula polymorpha DL1-L | 乙醇合成 | adhB | 乙醛脱氢酶II（AdhII） | 催化 | 来自Zymomonas mobilis，由GAPDH启动子驱动表达 |
| Hansenula polymorpha DL1-L | 甘油利用 | dhaD | 甘油脱氢酶（DhaD） | 催化 | 来自Klebsiella pneumoniae，由GAPDH启动子驱动表达 |
| Hansenula polymorpha DL1-L | 甘油利用 | dhaKLM | 二羟丙酮激酶（DhaKLM） | 催化 | 来自Klebsiella pneumoniae，包含dhaK、dhaL、dhaM三个基因，由GAPDH启动子驱动表达 |
关键发现
- 表达pdc和adhB的重组菌株HpDL1-L/pYH-pdc-adhB乙醇产量达2.74 g/l，为亲本菌株（0.83 g/l）的3.3倍
- 进一步表达dhaD和dhaKLM后乙醇产量升至3.1 g/l，为亲本的3.7倍。酶活测定显示，Pdc活性提高121%，AdhII活性提高170%
- 在共表达dhaDKLM的菌株中，DhaD活性比亲本高54%，比仅表达pdc-adhB的菌株高44%。
研究结论
通过异源表达细菌基因，成功构建了能利用甘油产乙醇的重组Hansenula polymorpha菌株，乙醇产量显著提高。虽然当前产量低于细菌系统，但酵母的高乙醇耐受性使其在工业乙醇生产中具有应用潜力。