高级醇 · 代谢工程文献库

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Heterologous expression of cellulose genes in natural Saccharomyces cerevisiae strains

作者
Steffi A. Davison, Riaan den Haan, Willem Heber van Zyl
单位
Department of Microbiology, Stellenbosch University; Department of Biotechnology, University of the Western Cape
杂志
Applied Microbiology and Biotechnology（2016）
DOI
10.1007/s00253-016-7735-x
所属领域
发酵工程
关键词
BioethanolCellulolytic enzymesIndustrial toleranceSaccharomyces cerevisiaeSecretion
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解决的核心问题

纤维素乙醇生产中的酶成本高，天然酿酒酵母异源纤维素酶分泌能力低，缺乏兼具高分泌表型、高发酵能力及耐受木质纤维素水解物抑制物的CBP底盘菌株。

研究策略

从南非西开普省葡萄园采集的天然酿酒酵母分离株中，通过异源表达三种纤维素酶基因（S. fibuligera cel3A、T. reesei cel5A、T. emersonii cel7A）作为报告蛋白，筛选高分泌菌株，并评估其生长、发酵、耐受性及倍性等工业相关特性。

研究路线图

100%
研究问题：纤维素酶成本高，天然酵母分泌能力低，缺乏CBP底盘菌株
策略：采集南非天然酿酒酵母，异源表达3种纤维素酶基因，筛选高分泌菌株
工程改造：构建YI13、FIN1、MH1000菌株，异源表达Cel5A、Cel7A、Cel3A
关键结果：YI13酶活高3.7/3.5倍，FIN1高21倍，耐高温乙醇及抑制剂
验证评估：评估生长、发酵、耐受性、倍性等工业相关特性
结论：YI13和FIN1为优良CBP底盘，分泌途径值得深入研究
底盘特性：YI13耐37-40℃，耐10%乙醇，FIN1氧受限酶活提升2.1倍
发酵性能：MH1000产乙醇9.09 g/L，YI13达9.02 g/L，生长OD600 12.19
机制分析：天然菌株分泌途径优于实验室菌株，遗传背景独特
未来方向：深入研究遗传背景与分泌途径，优化CBP菌株
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核心内容

针对纤维素乙醇生产中酶成本高、天然酿酒酵母异源分泌能力弱的问题，该研究从南非西开普省葡萄园分离的天然酵母中筛选兼具高分泌与工业耐受性的底盘菌株。通过在天然分离株中异源表达三种纤维素酶（纤维二糖水解酶、内切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶），并系统评估其生长、发酵及耐受性，发现菌株YI13表达Cel5A和Cel7A的胞外酶活分别达6.50和9.99 U/mg DCW，较参考菌株S288c提高3.7倍和3.5倍；菌株FIN1表达Cel3A的胞外酶活为2.54 U/mg DCW，总细胞酶活7.07 U/mg DCW，较S288c提升21倍。氧受限条件下，FIN1的总细胞Cel3A活性进一步升至15.95 U/mg DCW。YI13还耐受37–40°C高温、10%乙醇及多种木质纤维素水解抑制物，MH1000和YI13的乙醇产量分别达9.09和9.02 g/L，对应理论产率88%和89%。结果表明天然酵母菌株的分泌途径和遗传背景优于实验室菌株，是发展纤维素乙醇联合生物加工的潜力底盘，其分泌机制值得深入解析。

创新点

首次系统评估天然酿酒酵母分离株的异源纤维素酶分泌表型；发现天然菌株YI13同时具有高分泌能力和多重工业耐受性；证明天然菌株可作为优于实验室菌株的CBP底盘候选。

研究对象（5）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Saccharomyces cerevisiae YI13（天然分离株） 纤维素降解及乙醇发酵 T.e. cel7A Talaromyces emersonii Cel7A（纤维二糖水解酶） 催化 胞外酶活9.99 U/mg DCW，高于S288c 3.5倍
Saccharomyces cerevisiae YI13（天然分离株） 纤维素降解及乙醇发酵 T.r. cel5A Trichoderma reesei Cel5A（内切葡聚糖酶） 催化 胞外酶活6.50 U/mg DCW，高于S288c 3.7倍
Saccharomyces cerevisiae FIN1（天然分离株） 纤维素降解及乙醇发酵 S.f. cel3A Saccharomycopsis fibuligera Cel3A（β-葡萄糖苷酶） 催化 好氧条件下胞外酶活2.54 U/mg DCW，比S288c高21倍；氧受限条件胞外酶活3.69 U/mg DCW
Saccharomyces cerevisiae S288c（实验室参考菌株） 纤维素降解及乙醇发酵 S.f. cel3A, T.r. cel5A, T.e. cel7A S.f. Cel3A, T.r. Cel5A, T.e. Cel7A 催化 作为参考对照，酶活水平较低
Saccharomyces cerevisiae MH1000（工业蒸馏酵母） 乙醇发酵 内源发酵基因 内源糖酵解及乙醇合成酶 催化 乙醇产量最高，达9.09 g/L（88%理论产率）

关键发现

  1. 天然菌株YI13表达T.r.Cel5A和T.e.Cel7A的胞外酶活分别为6.50 U/mg DCW和9.99 U/mg DCW，比参考菌株S288c高3.7倍和3.5倍
  2. 天然菌株FIN1表达S.f.Cel3A的胞外酶活为2.54 U/mg DCW，总细胞酶活7.07 U/mg DCW，比S288c高21倍
  3. 在氧受限条件下FIN1的S.f.Cel3A胞外酶活达3.69 U/mg DCW，总细胞酶活15.95 U/mg DCW
  4. YI13可耐受37°C和40°C高温、10% w/v乙醇及多种木质纤维素水解抑制物，且对衣霉素(0.8-1.0 μg/ml)耐受
  5. MH1000乙醇产量最高为9.09 g/L（88%理论产率），YI13为9.02 g/L（89%）
  6. YI13转化子生长速率最高达OD600 12.19
  7. 所有转化子在氧受限条件下总细胞S.f.Cel3A活性平均提高2.1倍。

研究结论

天然酿酒酵母分离株YI13和FIN1具有高异源纤维素酶分泌能力和优良的工业耐受性，可作为发展CBP菌株的优良底盘，其遗传背景和分泌途径特性值得进一步研究。