Triacetic acid lactone production in industrial Saccharomyces yeast strains
- 作者
- Lauren P. Saunders, Michael J. Bowman, Jeffrey A. Mertens, Nancy A. Da Silva, Ronald E. Hector
- 单位
- Bioenergy Research Unit, National Center for Agricultural Utilization Research, Agricultural Research Service, U.S. Department of Agriculture, 1815 North University Street, Peoria, IL 61604, USA; Department of Chemical Engineering and Materials Science, University of California, Irvine, CA 92697, USA
- 杂志
- Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology（2015）
- DOI
- 10.1007/s10295-015-1596-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
评估工业酿酒酵母菌株生产三乙酸内酯（TAL）的潜力，筛选高产菌株，并探索碳源和培养条件对TAL产量的影响。
研究策略
将编码2-吡喃酮合酶的g2ps1基因转化至15株不同遗传背景的酿酒酵母菌株，比较葡萄糖批式培养中的TAL产量；测试不同碳源（葡萄糖、乙醇、甘油、乙酸）和葡萄糖浓度；对高产菌株进行乙醇补料分批发酵；测定TAL外排动力学及细胞内浓度。
核心内容
本研究评估了工业酿酒酵母菌株生产三乙酸内酯（TAL）的潜力，将编码2-吡喃酮合酶的g2ps1基因转化至15株不同遗传背景的酿酒酵母中。比较葡萄糖批式培养发现菌株间TAL产量差异达63倍，最高为0.63 g/L（菌株1174），最低仅0.01 g/L。碳源筛选表明乙醇优于葡萄糖、甘油和乙酸，以乙醇为碳源时菌株1185产量达0.95 g/L。葡萄糖浓度从20 g/L提高至200 g/L并未增产，20 g/L时产率最高（5.2%）。对高产菌株1185进行乙醇补料分批发酵，低补料速率（0.03和0.06 g/h）下TAL持续积累，最终获得5.2 g/L的最高产量；而高补料速率导致TAL快速下降并形成酯化衍生物副产物。外排实验显示胞内TAL浓度比胞外低7-28倍，表明存在主动外排机制。研究证实工业酵母菌株可生产TAL但理论产率仅4-7%，需进一步代谢工程改造，乙醇为较优碳源，未来鉴定和改造外排转运蛋白有望提高菌株耐受性和产量。
创新点
首次利用工业酵母菌株的遗传多样性提高TAL产量；发现TAL从细胞中主动外排；发现高TAL生产率下TAL被转化为副产物（化合物I和II），并证实化合物I为酯化衍生物；通过乙醇补料分批发酵实现5.2 g/L的最高TAL产量。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），包括工业菌株D5A、Y-7567、Y-12633、Y-568、Y-634、Y-863、Y-7408、Y-11876、Ethanol Red、Y-630、Y-685、Y-629及实验室菌株CEN.PK2-1C、BY4727 | 三乙酸内酯（TAL）生物合成 | g2ps1 | 2-吡喃酮合酶（2-pyrone synthase, 2-PS） | 催化 | 来自Gerbera hybrida，以乙酰辅酶A和丙二酰辅酶A为底物合成TAL |
| 酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae，菌株1185，Y-629背景） | 乙酰辅酶A代谢（乙醇同化途径） | — | 乙酰辅酶A合成酶（Acs1/Acs2） | 催化 | 乙醇经乙醛转化为乙酰辅酶A，为TAL合成提供前体；乙醇为碳源时TAL产量较高 |
| 酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae） | TAL外排 | — | 未知的外排转运蛋白 | 转运 | 细胞内TAL浓度比细胞外低7-28倍，表明存在主动外排；转运蛋白尚未鉴定 |
关键发现
- 15株酿酒酵母菌株在葡萄糖批式培养中TAL产量差异达63倍，最高为0.63±0.058 g/L（菌株1174），最低为0.01±0.001 g/L（菌株1176）。以乙醇为碳源时最高产量为0.95±0.056 g/L（菌株1185），优于葡萄糖、甘油和乙酸。葡萄糖浓度从20 g/L提高到200 g/L并未增加产量，20 g/L时获得最高产率（5.2±0.72%）。使用乙醇补料分批发酵（菌株1185）获得最高TAL产量5.2±0.46 g/L
- 低乙醇补料速率（0.03和0.06 g/h）下TAL持续积累，而高补料速率（0.105和0.15 g/h）导致TAL快速下降并形成副产物化合物I和II。TAL外排实验显示细胞内TAL浓度比细胞外低7-28倍，表明存在主动外排机制。所有菌株的理论产率均较低（葡萄糖约4-7%）。
研究结论
工业酿酒酵母菌株能够生产TAL，但产率较低，需要进一步代谢工程改造。乙醇是较好的碳源，补料分批发酵可显著提高TAL产量。TAL通过主动外排运输，未来可通过鉴定和改造外排转运蛋白提高菌株耐受性和产量。