Phenotypic characterisation of Saccharomyces spp. for tolerance to 1-butanol
- 作者
- A. M. Zaki, T. T. Wimalasena, D. Greetham
- 单位
- University of Nottingham, School of Biosciences, Sutton Bonington Campus, Loughborough LE12 5RD, UK; Kingston Research Ltd (BP and DuPont JV), Saltend Chemicals Park, Kingston upon Hull HU12 8DS, UK
- 杂志
- Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology（2014）
- DOI
- 10.1007/s10295-014-1511-7
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
筛选对1-丁醇具有高耐受性的酵母菌株，解析其耐受性机制，为生物丁醇发酵提供优良菌株及基因靶点。
研究策略
利用表型微阵列技术对90株Saccharomyces spp.进行1-丁醇耐受性筛选，通过斑点试验和发酵实验验证，结合qPCR分析候选基因表达，并通过RPN4基因敲除验证其功能。
核心内容
该研究对90株酿酒酵母属菌株进行1-丁醇耐受性表型筛选，旨在解析耐受机制并为生物丁醇发酵提供优良菌株与基因靶点。研究者采用表型微阵列技术初筛，结合斑点试验与发酵实验验证，并通过qPCR分析候选基因表达，最后利用基因敲除确认功能。结果显示，最耐受菌株DBVPG1788、DBVPG6044和YPS128可耐受4% 1-丁醇，且在3%丁醇胁迫下维持70-80%代谢活性；发酵中YPS128在10小时内耗完葡萄糖，而敏感菌株24小时仍有残留。qPCR发现RPN4转录因子在耐受菌株中显著上调，在敏感菌中几乎不表达；RPN4敲除株的葡萄糖利用和乙醇生产效率显著低于野生型。此外，两个敏感菌株的Rpn4蛋白在444位为组氨酸，而多数酿酒酵母为亮氨酸。该研究首次揭示RPN4及其调控的蛋白酶体途径是丁醇耐受的关键因素，为生物丁醇生产菌株的定向育种提供了明确靶点。
创新点
系统筛选了不同Saccharomyces物种对1-丁醇的耐受性，首次发现RPN4转录因子在耐受菌株中显著上调，并证明RPN4缺失降低丁醇耐受性；发现敏感菌株RPN4蛋白存在H444L氨基酸差异。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae YPS128 | 蛋白酶体基因调控 | RPN4 | Rpn4 | 调控 | 1-丁醇耐受菌株，RPN4在1.5%和3%丁醇胁迫下显著上调 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4741 | 蛋白酶体基因调控 | RPN4 | Rpn4 | 调控 | RPN4缺失株在1-丁醇下发酵性能显著下降 |
关键发现
- 在90株酿酒酵母中，最耐受菌株S. cerevisiae DBVPG1788、DBVPG6044和YPS128可耐受4% 1-丁醇，而S. uvarum和S. castelli对3% 1-丁醇敏感
- 耐受菌株在3%丁醇下保持70-80%的代谢活性。发酵中，YPS128在3%丁醇胁迫下8小时仅剩14 g/L葡萄糖，而敏感菌UWOPSO5-227.2剩余35 g/L，且YPS128在10小时内耗完葡萄糖，敏感菌24小时仍有残留
- S. uvarum L-1764在1.5%丁醇下几乎不消耗葡萄糖。qPCR显示RPN4在耐受菌株YPS128中于1.5%和3%丁醇胁迫下显著上调，而在敏感菌中几乎不表达
- Δrpn4敲除株在1.5%丁醇下的葡萄糖利用和乙醇生产效率显著低于BY4741。此外，两个敏感菌株的RPN4蛋白在444位为组氨酸，而多数酿酒酵母为亮氨酸。
研究结论
Saccharomyces cerevisiae中存在对1-丁醇耐受性显著差异的菌株，RPN4转录因子及其调控的蛋白酶体途径是丁醇耐受的关键因素，可为生物丁醇生产菌株的育种提供靶点。