Improved production of ethanol by deleting FPSI and over-expressing GLT1 in Saccharomyces cerevisiae
- 作者
- Qing-Xue Kong, Ji-Guang Gu, Li-Min Cao, Ai-Li Zhang, Xun Chen, Xue-Ming Zhao
- 杂志
- Biotechnology Letters（2006）
- DOI
- 10.1007/s10529-006-9185-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在酿酒酵母中通过减少副产物甘油的生成来提高乙醇产量，同时维持细胞内的氧化还原平衡。
研究策略
敲除甘油外排通道蛋白基因FPS1，并过表达NADH依赖的谷氨酸合酶基因GLT1（置于PGK1启动子下），以降低甘油形成并增加乙醇产量。
研究路线图
核心内容
该研究通过代谢工程策略改造酿酒酵母，以提升乙醇产量并减少副产物甘油生成。作者敲除了甘油外排通道蛋白基因FPS1，并在PGK1启动子驱动下过表达NADH依赖的谷氨酸合酶基因GLT1，利用重复序列loop-out去除URA3标记。结果显示，单独敲除FPS1的KAM-3菌株乙醇产量较亲本KAM-2提高10%，甘油产量降低24%；而同时敲除FPS1并过表达GLT1的KAM-11菌株乙醇产量提高14%，甘油产量降低30%，其中乙醇产量达12.3 g/100 ml，乙醇得率为0.51 mol/mol葡萄糖，甘油产量降至0.48 g/100 ml。两株工程菌的乙酸和丙酮酸生成也显著减少，而生长速率、生物量浓度和蛋白含量基本不变。该结果表明敲除FPS1并过表达GLT1能有效降低甘油形成并提高乙醇产量，细胞通过其他还原途径维持氧化还原平衡，为工业乙醇发酵菌株改造提供了可行方案。
创新点
首次在fps1Δ背景下过表达GLT1，结合敲除FPS1和过表达GLT1双重策略来优化乙醇发酵；通过与PGK1启动子整合实现GLT1过表达，同时利用重复序列loop-out去除URA3标记。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 甘油合成与乙醇发酵途径 | FPS1 | Fps1p | 转运 | 编码甘油外排通道蛋白，敲除后甘油外排受阻，细胞内甘油积累，降低甘油总产量。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 谷氨酸合成与NADH氧化途径 | GLT1 | Glt1p | 催化 | 编码NADH依赖的谷氨酸合酶，过表达可促进NADH氧化为NAD+，减少甘油生成以维持 redox 平衡。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 糖酵解与乙醇发酵途径 | PGK1 | — | 调控 | 使用PGK1启动子驱动GLT1过表达，实现组成型高表达。 |
关键发现
- 与亲本菌株KAM-2相比，敲除FPS1的KAM-3菌株乙醇产量提高10%，甘油产量降低24%
- 同时敲除FPS1并过表达GLT1的KAM-11菌株乙醇产量提高14%，甘油产量降低30%。KAM-11的乙醇产量达到12.3 g/100 ml，甘油产量为0.48 g/100 ml（0.020 mol/mol葡萄糖），乙醇得率为0.51 mol/mol葡萄糖。KAM-3和KAM-11的乙酸和丙酮酸生成也显著减少。生长速率、生物量浓度和蛋白含量基本不变（KAM-2、KAM-3、KAM-11的生长速率分别为0.28、0.22、0.26 h^-1，生物量浓度分别为0.86、0.86、0.87 g/100 ml，蛋白含量均为58 g/100 g生物量）。
研究结论
通过敲除FPS1和过表达GLT1，可有效降低甘油形成并提高乙醇产量，同时减少乙酸和丙酮酸等副产物，细胞通过其他还原途径维持氧化还原平衡。该策略为工业乙醇发酵菌株改造提供了可行方案。