Expression of dehydrin gene from Arctic Cerastium arcticum increases abiotic stress tolerance and enhances the fermentation capacity of a genetically engineered Saccharomyces cerevisiae laboratory strain
- 作者
- Il-Sup Kim, Hyun-Young Kim, Young-Saeng Kim, Han-Gu Choi, Sung-Ho Kang, Ho-Sung Yoon
- 单位
- Advanced Bio-resource R&D Center, Department of Biology, College of Natural Sciences, Kyungpook National University; Biotechnology Team, R&D Center, Daesang Corporation; Division of Polar Biology & Ocean Sciences, Korea Polar Research Institute (KOPRI)
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2013）
- DOI
- 10.1007/s00253-013-4729-9
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
工业发酵中酿酒酵母常面临氧化、乙醇、低温等非生物胁迫，导致发酵效率下降。如何通过基因工程提高酵母的胁迫耐受性和发酵产量，尤其低温发酵性能，是核心问题。
研究策略
从北极植物卷耳(Cerastium arcticum)中克隆脱水素基因CaDHN，在酿酒酵母实验室菌株BY4741中过表达，评估其对多种非生物胁迫的耐受性及30°C和18°C下葡萄糖分批发酵产乙醇能力，并通过体外实验验证CaDHN的ROS清除和分子伴侣活性。
研究路线图
核心内容
该研究从北极植物卷耳中克隆了编码270个氨基酸、约30 kDa的SK5型脱水素基因CaDHN，并在酿酒酵母实验室菌株BY4741中过表达。通过测定转基因酵母在氧化、高盐、冻融、金属及乙醇等多种非生物胁迫下的存活率，结合体外FOX实验和分子伴侣活性检测，系统评估了CaDHN的功能。结果显示，表达CaDHN的酵母在30°C发酵84小时最终酒精浓度达13.3%（0.63 g/g），较野生型的10.2%提高23%；在18°C低温发酵180小时，酒精浓度为13.2%（0.62 g/g），比野生型的9.4%提高30%。体外实验表明，1 μg CaDHN可使17 μM H2O2的吸光度降低约4.5倍，且能增强过氧化氢酶活性约3倍，提示其具有活性氧清除和分子伴侣功能。研究证明CaDHN通过维持氧化还原稳态、金属稳态和蛋白稳态，赋予酵母多重胁迫耐受性，显著提升发酵性能，尤其改善了低温下的乙醇产量，为工业酵母菌株的耐逆改造提供了有价值的基因元件。
创新点
['首次从北极植物卷耳中克隆并鉴定SK5型脱水素基因CaDHN', '证明CaDHN异源表达能同时提高酵母氧化、高盐、冻融、金属、乙醇耐受性，并改善低温发酵表现', '揭示CaDHN具有体外ROS清除和分子伴侣活性，为解析其功能提供了证据']
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae BY4741 | 乙醇发酵 | CaDHN | CaDHN (dehydrin) | 调控 | 异源表达CaDHN提高酵母对氧化、高盐、冻融、金属和乙醇的耐受性，增强低温发酵产量 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 异源蛋白表达 | CaDHN | His-CaDHN | 调控 | 用于体外验证CaDHN的ROS清除和分子伴侣活性 |
关键发现
- TG细胞在30°C发酵84 h最终酒精浓度13.3% (0.63±0.03 g/g)，比WT的10.2% (0.48±0.04)提高23%
- 在18°C发酵180 h，TG为13.2% (0.62±0.04)，比WT的9.4% (0.44±0.02)提高30%
- TG在乙醇浓度>16%时存活显著优于WT
- 体外FOX实验显示CaDHN(1 μg)使17 μM H2O2的吸光度降至对照的约22%（即降低4.5倍），而CAT几乎完全清除
- CAT+CaDHN组的CAT活性比无CaDHN组高约3倍
- CaDHN基因长813 bp编码270 aa，预测分子量30 kDa。
研究结论
CaDHN通过维持氧化还原稳态、金属稳态和蛋白稳态，赋予转基因酵母多种非生物胁迫耐受性，显著增强发酵能力，尤其在18°C低温下乙醇产量提高30%，是改善工业酵母发酵性能的潜在元件。