Characterization of an evolved carotenoids hyper-producer of Saccharomyces cerevisiae through bioreactor parameter optimization and Raman spectroscopy
- 作者
- Michelle L. Olson, James Johnson, William F. Carswell, Luis H. Reyes, Ryan S. Senger, Katy C. Kao
- 单位
- Department of Chemical Engineering, Texas A&M University; Department of Biological Systems Engineering, Virginia Tech; Institute for the Study of Inborn Errors of Metabolism, School of Sciences, Pontificia Universidad Javeriana
- 杂志
- Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology（2016）
- DOI
- 10.1007/s10295-016-1808-9
- 所属领域
- 代谢工程、发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过生物反应器参数优化和拉曼光谱监测，提高并实时表征进化获得的酿酒酵母类胡萝卜素超产菌株的β-胡萝卜素产量
研究策略
在实验室规模生物反应器中考察pH、通气量（搅拌速度）和培养基组成（C:N比）对β-胡萝卜素产量的影响；利用拉曼光谱监测培养过程中β-胡萝卜素、脂质和蛋白质的相对变化
核心内容
该研究以一株进化获得的酿酒酵母类胡萝卜素超产菌株SM14及其祖先YLH2为对象，系统考察了生物反应器参数（pH、通气量和C:N比）对β-胡萝卜素产量的影响，并首次将拉曼光谱用于工程酵母β-胡萝卜素生产的近实时监测和表型分析。结果显示，将C:N比从8.8提高至50可使SM14的β-胡萝卜素产量从16.8±1.8 mg/g(dcw)提升至25.52±2.15 mg/g(dcw)，YLH2的产量则从5.68±1.24 mg/g(dcw)提高298%至22.58±0.11 mg/g(dcw)，SM14在pH 4.0条件下的产量也显著高于pH 4.5。拉曼光谱信号强度与β-胡萝卜素产量相关系数达0.8，可有效反映培养过程中β-胡萝卜素、脂质和蛋白质的相对变化。此外，两菌株的总脂肪酸含量随C:N比提高而增加，且β-胡萝卜素产量与细胞总脂肪酸含量呈正相关，支持通过增加脂质含量提高类胡萝卜素储存能力的假说。这些结果表明，优化生物反应器条件结合拉曼光谱实时监测，是提升和表征工程酵母类胡萝卜素产量的有效策略。
创新点
首次证明拉曼光谱可用于工程酵母β-胡萝卜素生产的近实时监测和表型分析；发现提高C:N比能显著提升β-胡萝卜素产量，且产量与细胞总脂肪酸含量正相关
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae SM14 | 类胡萝卜素生物合成 | crtE, crtYB, crtI | CrtE, CrtYB, CrtI | 催化 | 进化获得的类胡萝卜素超产菌株，携带来自Xanthophyllomyces dendrorhous的类胡萝卜素合成基因 |
| Saccharomyces cerevisiae YLH2 | 类胡萝卜素生物合成 | crtE, crtYB, crtI | CrtE, CrtYB, CrtI | 催化 | 未进化的祖先菌株，作为对照，产量低于SM14 |
| Saccharomyces cerevisiae SM12、SM22 | 类胡萝卜素生物合成 | crtE, crtYB, crtI | CrtE, CrtYB, CrtI | 催化 | 其他进化分离株，用于验证代谢谱的一致性 |
| Saccharomyces cerevisiae | 过氧化氢解毒 | CTT1 | 胞质过氧化氢酶 | 催化 | 编码胞质过氧化氢酶，在进化工程中被删除以利用氧化应激筛选超产菌株 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸（MVA）途径 | — | — | 催化 | 为类胡萝卜素合成提供前体GGPP，乙醇和乙酸盐可激活该途径 |
关键发现
- SM14菌株在50 C:N YNB培养基中β-胡萝卜素产量达25.52±2.15 mg/g(dcw)，较8.8 C:N（16.8±1.8 mg/g(dcw)）显著提高；YLH2祖先菌株在50 C:N下产量达22.58±0.11 mg/g(dcw)，较8.8 C:N（5.68±1.24 mg/g(dcw)）提高298%；pH对YNB中产量影响显著，SM14在pH
- 0时产量（16.8±1.8 mg/g(dcw)）高于pH
- 5（10.7±0.2 mg/g(dcw)）；SM14和YLH2在8.8 C:N YNB中的β-胡萝卜素生产率分别为1.86±0.74和0.42±0.25 mg/L/h，在50 C:N中分别为1.90±0.31和1.66±0.07 mg/L/h（YLH2提高291%）；拉曼光谱信号强度与β-胡萝卜素产量的相关系数为0.8；SM14总脂肪酸含量高于YLH2，高C:N比使两菌株总脂肪酸含量显著增加
研究结论
优化生物反应器条件（pH 4.0、50 C:N YNB）可将β-胡萝卜素产量提升至25.52±2.15 mg/g(dcw)；拉曼光谱可作为近实时监测β-胡萝卜素生产及细胞表型（脂质、蛋白质）的有效工具；β-胡萝卜素产量与细胞总脂肪酸含量呈正相关，支持通过增加脂质含量提高类胡萝卜素储存储存能力的假说