Valorisation of pectin-rich agro-industrial residues by yeasts: potential and challenges
- 作者
- Luís C. Martins, Catarina C. Monteiro, Paula M. Semedo, Isabel Sá-Correia
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2020）
- DOI
- 10.1007/s00253-020-10697-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
如何利用酵母高效生物转化富含果胶的农业工业残留物，主要挑战包括酵母对水解液中D-半乳糖醛酸和L-阿拉伯糖等主要糖类的天然利用能力不足、碳代谢物阻遏效应以及乙酸、甲醇、重金属等抑制物的毒性作用。
研究策略
综述性分析：系统总结了果胶丰富残留物的组成与水解液特性，重点剖析了D-半乳糖醛酸和L-阿拉伯糖的分解代谢途径，探讨了非传统酵母（非酿酒酵母）的代谢多样性和胁迫耐受性，并归纳了通过代谢工程改造酿酒酵母及非传统酵母实现果胶残留物生物转化的研究进展与实例。
研究路线图
核心内容
该综述系统分析了利用酵母生物转化富含果胶的农业工业残留物（如甜菜浆、柑橘皮）的潜力与瓶颈。果胶占此类残留物干重的12–35%，其中D-半乳糖醛酸约占果胶重量的70%，是主要可利用碳源。研究指出，酿酒酵母天然缺乏高效利用D-半乳糖醛酸和L-阿拉伯糖的能力，且碳代谢物阻遏效应及乙酸、甲醇等抑制物严重限制发酵效率。为此，作者梳理了在酿酒酵母中异源表达真菌D-半乳糖醛酸分解代谢途径（如GAAA、LGD1、GAAC等基因）的策略，并报道工程菌YE9可共消耗超过10 g/L的D-半乳糖醛酸与L-阿拉伯糖和D-木糖；表达植物乳杆菌L-阿拉伯糖异构酶途径的菌株在厌氧条件下可从L-阿拉伯糖产乙醇0.43 g/g。同时，文章强调非传统酵母的优势，如Zygosaccharomyces bailii可在370–555 mM乙酸浓度下生长，而酿酒酵母仅耐受80–150 mM；Rhodosporidium toruloides等产油酵母在乙酸存在下脂质积累可达48–77%（干重）。通过结合代谢工程与合成生物学工具，利用非传统酵母的天然鲁棒性，有望克服现有瓶颈，实现果胶残留物的经济可行生物转化。
创新点
全面梳理了真菌D-半乳糖醛酸分解代谢途径在酿酒酵母中的异源表达策略；指出了Rhodosporidium toruloides作为天然利用D-半乳糖醛酸的产油酵母平台的价值；强调利用非传统酵母的天然优势（如Zygosaccharomyces bailii的弱酸超高耐受性）并结合合成生物学工具来克服现有瓶颈。
研究对象（18）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | D-半乳糖醛酸分解代谢 | GAT1 | Gat1 | 转运 | 来自粗糙脉孢菌的D-半乳糖醛酸转运蛋白，在酿酒酵母中表达以提高D-半乳糖醛酸摄取 |
| Saccharomyces cerevisiae | D-半乳糖醛酸分解代谢 | GAAA | D-半乳糖醛酸还原酶 | 催化 | 来自黑曲霉，催化D-半乳糖醛酸还原 |
| Saccharomyces cerevisiae | D-半乳糖醛酸分解代谢 | LGD1 | D-半乳糖酸脱水酶 | 催化 | 来自里氏木霉，参与D-半乳糖醛酸分解 |
| Saccharomyces cerevisiae | D-半乳糖醛酸分解代谢 | GAAC/GAAD | 2-酮-3-脱氧-L-半乳糖酸醛缩酶 | 催化 | 来自黑曲霉，原文基因命名可能有误，但参与D-半乳糖醛酸分解 |
| Saccharomyces cerevisiae | D-半乳糖醛酸分解代谢 | PHO13 | Pho13 | 调控 | 磷酸酶相关调控因子，删除后改善戊糖与D-半乳糖醛酸共利用 |
| Saccharomyces cerevisiae | D-半乳糖醛酸分解代谢 | ALD6 | Ald6 | 催化 | 胞质乙醛脱氢酶，删除后减少乙酸生成并改善糖共利用 |
| Saccharomyces cerevisiae | L-阿拉伯糖分解代谢（细菌异构酶途径） | araA | L-阿拉伯糖异构酶 | 催化 | 来自植物乳杆菌，用于酿酒酵母工程改造 |
| Saccharomyces cerevisiae | L-阿拉伯糖转运 | GAL2 | Gal2 | 转运 | 内源己糖转运蛋白，对L-阿拉伯糖亲和力低，且受葡萄糖抑制 |
| Saccharomyces cerevisiae | L-阿拉伯糖转运 | STP2 | Stp2 | 转运 | 来自拟南芥的L-阿拉伯糖转运蛋白，表达可改善低浓度下发酵 |
| Saccharomyces cerevisiae | L-阿拉伯糖转运 | ARA-T | AraT | 转运 | 来自树干毕赤酵母，对L-阿拉伯糖亲和力较高，但受葡萄糖抑制 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲醇代谢 | AOX | 醇氧化酶 | 催化 | 来自毕赤酵母，重组酿酒酵母表达后可消耗甲醇 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲醇代谢 | CAT | 过氧化氢酶 | 催化 | 来自毕赤酵母，参与甲醇代谢解毒 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲醇代谢 | DAS | 二羟丙酮合酶 | 催化 | 来自毕赤酵母，甲醇同化途径酶 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲醇代谢 | DAK | 二羟丙酮激酶 | 催化 | 来自毕赤酵母，甲醇同化途径酶 |
| Rhodosporidium toruloides | D-半乳糖醛酸分解代谢 | GUT1 | 甘油激酶 | 催化 | 在D-半乳糖醛酸存在时被诱导，参与甘油代谢 |
| Rhodosporidium toruloides | D-半乳糖醛酸分解代谢 | GUT2 | 线粒体甘油-3-磷酸脱氢酶 | 催化 | 在D-半乳糖醛酸存在时被诱导，参与甘油代谢 |
| Zygosaccharomyces bailii | 弱酸胁迫响应 | HAA1 | Haa1 | 调控 | 转录因子，负责乙酸和铜胁迫响应，与Z. bailii极高乙酸耐受性相关 |
| Saccharomyces cerevisiae | D-半乳糖醛酸转运 | gata | GatA | 转运 | 来自黑曲霉的D-半乳糖醛酸转运蛋白，可介导D-半乳糖醛酸与葡萄糖共摄取 |
关键发现
- 果胶占残留物干重的12–35%，D-半乳糖醛酸约占果胶重量的70%。甜菜浆果胶乙酰化程度达10–20%，柑橘类为3%，苹果为4%
- 甲基化程度柑橘类60–80%，苹果80%，甜菜高达60%。Z. bailii可在370–555 mM乙酸浓度下生长，而S. cerevisiae仅耐80–150 mM。工程菌S. cerevisiae YE9能共消耗超过10 g/L的D-半乳糖醛酸与L-阿拉伯糖和D-木糖。表达植物乳杆菌L-阿拉伯糖异构酶途径的S. cerevisiae在厌氧条件下从L-阿拉伯糖产乙醇0.43 g/g。Cryptococcus curvatus在5 g/L乙酸（pH 6.0）下脂质积累达50%（w/w）
- Rhodosporidium toruloides在20 g/L乙酸下脂质积累达48%（w/w）。R. toruloides NRRL 1091和Cryptococcus laurentii UCD 68-201以橙皮提取物为底物时脂质积累分别为77%和47%（干重）。Pichia kudriavzevii KMP10在甜菜浆水解液（79 g/L糖）中产乙醇34.4 g/L
- P. daktariarozzii NRRL T-12369在101 g/L糖中产乙醇50.85 g/L。重组S. cerevisiae表达毕赤酵母甲醇代谢酶后消耗了初始甲醇浓度的50%。
研究结论
富含果胶的农业工业残留物是可持续生物炼制的潜在原料，但实现高效生物转化需克服酵母对D-半乳糖醛酸和L-阿拉伯糖等糖类的天然代谢局限、碳代谢物阻遏及多种抑制物的复合胁迫。非传统酵母因其广泛的底物谱和强鲁棒性而具有明显优势，结合代谢工程与合成生物学工具，有望开发出经济可行的果胶残留物生物转化工艺。