Improvements in ethanol production from xylose by mating recombinant xylose-fermenting Saccharomyces cerevisiae strains
- 作者
- Hiroko Kato, Hiroaki Suyama, Ryosuke Yamada, Tomohisa Hasunuma, Akihiko Kondo
- 单位
- 神户大学工学研究科化学科学与工程系; 神户大学先端科学技术组织
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2012）
- DOI
- 10.1007/s00253-012-3914-6
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
重组酿酒酵母利用木糖发酵乙醇的效率较低，木糖是木质纤维素半纤维素的主要成分，需要提高木糖转化乙醇的能力。
研究策略
将两株携带木糖同化基因（XR、XDH、XK）的反向交配型单倍体酿酒酵母进行交配杂交，构建含有两套木糖同化基因的二倍体菌株，利用染色体加倍和基因拷贝数增加提高木糖发酵性能。
核心内容
将两株携带木糖还原酶（XR）、木糖醇脱氢酶（XDH）和木酮糖激酶（XK）基因的反向交配型单倍体重组酿酒酵母进行交配杂交，构建了含有两套木糖同化基因的二倍体菌株MN8140XX，以提升木糖发酵产乙醇效率。该二倍体菌株的木糖消耗速率达2.73 g/L/h，分别为两个亲本菌株的1.6倍和3.4倍；乙醇生产速率为0.89 g/L/h，24小时乙醇产量达14.5 g/L，比亲本提高1.3至1.9倍。在pH 3.8酸性条件下，MN8140XX仍产生14.51 g/L乙醇，而亲本NBRC1440X仅产生5.56 g/L；在38°C高温下，乙醇产量达13.79 g/L，与30°C时相当。对照单拷贝二倍体菌株的发酵表现表明，染色体加倍和基因拷贝数增加共同促进了性能提升。代谢组学主成分分析清晰区分了不同菌株的表型差异。该杂交策略无需复杂基因工程操作，即可显著增强木糖利用与乙醇生产，且兼具酸性和高温耐受性，为工业木质纤维素乙醇生产提供了简单有效的菌株构建方案。
创新点
1. 利用简单的杂交技术构建携带两套木糖同化基因的二倍体酿酒酵母菌株；2. 首次证明该二倍体菌株在酸性（pH 3.8）和高温（38°C）条件下木糖乙醇产量显著提高；3. 首次对单倍体和二倍体木糖发酵重组菌株进行代谢组学分析。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae MN8140XX | 木糖代谢途径 | XYL1 | 木糖还原酶 (XR) | 催化 | 异源表达，来自Scheffersomyces stipitis，两套拷贝，将木糖还原为木糖醇 |
| Saccharomyces cerevisiae MN8140XX | 木糖代谢途径 | XYL2 | 木糖醇脱氢酶 (XDH) | 催化 | 异源表达，来自Scheffersomyces stipitis，两套拷贝，将木糖醇氧化为木酮糖 |
| Saccharomyces cerevisiae MN8140XX | 木糖代谢途径 | XKS1 | 木酮糖激酶 (XK) | 催化 | 内源基因过表达，由TDH3启动子驱动，两套拷贝，将木酮糖磷酸化为5-磷酸木酮糖 |
关键发现
- 杂交二倍体菌株MN8140XX的木糖消耗速率为2.73 g/L/h，比亲本MT8-1X405（1.68 g/L/h）高1.6倍，比NBRC1440X（0.80 g/L/h）高3.4倍
- 乙醇生产速率为0.89 g/L/h，比亲本分别高1.6倍和2.8倍。24小时乙醇产量为14.5±0.19 g/L，比亲本（11.2和7.7 g/L）分别高1.3倍和1.9倍。在pH 3.8条件下，MN8140XX仍产生14.51 g/L乙醇，而NBRC1440X仅产生5.56 g/L
- 在38°C下，MN8140XX产生13.79 g/L乙醇，与30°C时相当。单拷贝二倍体MN8140MX和MN8140NX的乙醇生产速率分别为MN8140XX的80%和58%，表明染色体加倍和基因拷贝数增加均有贡献。代谢组学PCA分析中，PC1和PC2分别解释90.3%和6.7%的方差。
研究结论
通过将携带木糖同化基因的重组单倍体酿酒酵母进行杂交，构建的二倍体菌株MN8140XX因染色体加倍和基因拷贝数增加显著提高了木糖发酵能力，且在酸性和高温胁迫条件下依然保持较高的乙醇产量，该杂交策略简单有效，适用于工业木质纤维素乙醇生产。