Decreased fluidity of cell membranes causes a metal ion deficiency in recombinant Saccharomyces cerevisiae producing carotenoids
- 作者
- Peitong Liu, Liang Sun, Yuxia Sun, Fei Shang, Guoliang Yan
- 单位
- Center for Viticulture and Enology, College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, People's Republic of China; College of Biology Science and Technology, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, People's Republic of China
- 杂志
- Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology（2016）
- DOI
- 10.1007/s10295-015-1728-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
异源类胡萝卜素生物合成在酿酒酵母中引起细胞膜流动性降低，导致金属离子缺乏，进而影响细胞生长和β-胡萝卜素产量。
研究策略
利用DNA微阵列分析比较重组菌株与亲本菌株的全基因组转录差异，结合金属离子含量、细胞膜流动性、脂肪酸和麦角固醇组成等生理生化测定，并通过外源添加亚油酸验证膜流动性与金属离子缺乏之间的因果关系。
核心内容
该研究针对异源类胡萝卜素生物合成在酿酒酵母中引发的细胞膜流动性降低及金属离子缺乏问题，通过DNA微阵列分析比较重组菌株与亲本菌株的全基因组转录差异，结合金属离子含量、膜流动性、脂肪酸和麦角固醇组成等生理生化测定，并采用外源添加亚油酸验证因果关系。结果显示，重组菌株T73-H最高β-胡萝卜素含量为4.02 mg/g DCW，生物量较亲本最高降低49.8%；对数后期Mg2+、Cu2+、Fe2+、Mn2+含量分别为亲本的58.9%、38.2%、65.8%、36.3%，膜荧光各向异性增加2.08倍，不饱和脂肪酸含量降低57.8%。添加0.5 mM亚油酸后，膜流动性恢复，金属离子水平回升，β-胡萝卜素产量提高24.3%至4.59 mg/g DCW；补充50 µM Cu2+、10 mM Mn2+、4 mM Mg2+分别使产量达4.43、4.71、4.65 mg/g DCW。该研究首次揭示异源类胡萝卜素合成导致膜刚性化并引发金属离子缺乏的机制，外源添加不饱和脂肪酸或补充金属离子是缓解膜刚性化、提升产量的有效策略。
创新点
首次揭示异源类胡萝卜素合成导致酿酒酵母细胞膜刚性化（流动性降低），并由此引发金属离子缺乏；通过添加亚油酸恢复膜流动性，不仅恢复了金属离子水平，还使β-胡萝卜素产量提高24.3%；另外发现补充特定金属离子也能促进β-胡萝卜素合成。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae T73-4 | 类胡萝卜素生物合成 | crtE | GGPP synthase | 催化 | 来自Xanthophyllomyces dendrorhous，外源表达推动类胡萝卜素合成 |
| Saccharomyces cerevisiae T73-4 | 类胡萝卜素生物合成 | crtYB | Bifunctional phytoene synthase and lycopene cyclase | 催化 | 来自Xanthophyllomyces dendrorhous |
| Saccharomyces cerevisiae T73-4 | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | Phytoene desaturase | 催化 | 来自Xanthophyllomyces dendrorhous |
| Saccharomyces cerevisiae T73-4 | 铁/铜离子转运 | FRE1 | Ferric/cupric reductase | 转运 | 铁/铜还原酶，参与金属离子摄取，转录上调 |
| Saccharomyces cerevisiae T73-4 | 铁/铜离子转运 | FRE2 | Ferric/cupric reductase | 转运 | 铁/铜还原酶，参与金属离子摄取，转录上调 |
| Saccharomyces cerevisiae T73-4 | 铁离子转运 | FRE7 | Putative ferric reductase | 转运 | 推定铁还原酶，转录上调 |
| Saccharomyces cerevisiae T73-4 | 铜离子转运 | CTR3 | High-affinity copper transporter | 转运 | 质膜高亲和铜转运蛋白，转录上调 |
| Saccharomyces cerevisiae T73-4 | 铁离子转运 | MRS3 | Iron transporter (mitochondrial) | 转运 | 线粒体内膜铁转运蛋白，缺铁条件下上调 |
| Saccharomyces cerevisiae T73-4 | 锰离子转运 | ATX2 | Manganese transporter | 转运 | 高亲和锰转运蛋白，定位于高尔基体样囊泡，转录上调 |
关键发现
- 重组菌株T73-H最高β-胡萝卜素含量为4.02 mg/g DCW
- 与亲本T73-W相比，重组菌株生物量最高降低49.8%。对数后期Mg2+、Cu2+、Fe2+、Mn2+含量分别为亲本的58.9%、38.2%、65.8%、36.3%，稳定期分别为45.3%、36.4%、54.8%、30.9%。细胞膜荧光各向异性增加2.08倍（对数后期）和1.63倍（稳定期）。总脂肪酸含量在14h和16h分别低27.0%和17.9%，不饱和脂肪酸（UFA）在14、16、20h分别低57.8%、58.2%、49.3%。添加0.5 mM亚油酸后，荧光各向异性从0.39降至0.12，Mg2+从773.1增至1161.4 µg/OD660，Cu2+从3.0增至6.3 µg/OD660，Mn2+从1.85增至2.64 µg/OD660，Fe2+从8.4增至12.4 µg/OD660
- 最高β-胡萝卜素浓度达4.59 mg/g DCW，比未处理高24.3%。添加50 µM Cu2+、50 µM Fe2+、10 mM Mn2+、4 mM Mg2+分别使β-胡萝卜素浓度达到4.43、4.35、4.71、4.65 mg/g DCW，比未处理高17.8%、15.7%、25.3%、23.6%。
研究结论
异源类胡萝卜素生物合成使酿酒酵母细胞膜中不饱和脂肪酸和麦角固醇含量降低，导致细胞膜流动性下降，形成金属离子扩散障碍，造成铜、铁、锰、镁等离子缺乏。维持正常的细胞膜流动性对于提高类胡萝卜素产量至关重要，外源添加不饱和脂肪酸或过表达脂肪酸脱饱和酶是缓解膜刚性化的潜在策略。