Overexpressing GLT1 in gpd1Δ mutant to improve the production of ethanol of Saccharomyces cerevisiae

作者: Qing-Xue Kong, Li-Min Cao, Ai-Li Zhang, Xun Chen
单位: School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, People's Republic of China; Department of Bioengineering, Tianjin Agricultural College, Tianjin 300384, People's Republic of China
杂志: Applied Microbiology and Biotechnology（2006）
DOI: 10.1007/s00253-006-0610-4
所属领域: 代谢工程
关键词: Ethanol productionGlutamate-synthase geneGlycerol 3-phosphate dehydrogenaseGlycerol formationS. cerevisiae
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解决的核心问题

在酿酒酵母中通过减少主要副产物甘油的生成来提高乙醇产量

研究策略

敲除GPD1基因以阻断甘油合成路径，并利用PGK1启动子过表达GLT1基因，通过谷氨酸合成途径消耗NADH，从而在厌氧发酵中减少甘油形成并提高乙醇产量

研究路线图

100%

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核心内容

本研究针对酿酒酵母乙醇发酵中甘油副产物积累导致碳流损失的问题，通过代谢工程策略重构辅因子平衡以提升乙醇产量。作者首先敲除甘油合成关键基因GPD1阻断主要副产物途径，再利用强启动子PGK1过表达谷氨酸合酶基因GLT1，利用其催化反应消耗NADH，从而在厌氧条件下减少甘油生成并将还原力转向乙醇合成。结果显示，gpd1Δ突变体KAM-4较野生型KAM-2乙醇产量提高4.8%（从7.23 g/100 ml增至7.58 g/100 ml），甘油产量降低21.0%；进一步过表达GLT1的KAM-12菌株乙醇产量达8.02 g/100 ml，较野生型提高10.8%，甘油产量降至0.32 g/100 ml，降幅达25.0%。此外，两株工程菌的乙酸和丙酮酸产量均显著下降。该工作首次将GLT1过表达与GPD1敲除相结合，通过谷氨酸合成途径有效分流NADH，在提高乙醇得率的同时减轻副产物积累，为工业菌株的氧化还原平衡调控提供了可行策略。

创新点

首次在gpd1Δ突变体中过表达GLT1，利用GLT1催化反应消耗NADH来降低甘油生成，同时提高乙醇产量

研究对象（3）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Saccharomyces cerevisiae	甘油合成	GPD1	甘油-3-磷酸脱氢酶 (Gpd1p)	催化	敲除该基因以减少甘油生成
Saccharomyces cerevisiae	谷氨酸合成	GLT1	谷氨酸合酶 (glutamate synthase)	催化	过表达该基因以消耗NADH，降低甘油副产物
Saccharomyces cerevisiae	基因表达调控	PGK1 promoter	—	调控	用于驱动GLT1的过表达

关键发现

与野生型相比，gpd1Δ突变体（KAM-4）乙醇产量提高4.8%，甘油产量降低21.0%
在此基础上过表达GLT1的KAM-12菌株乙醇产量提高10.8%，甘油产量降低25.0%。具体产量：KAM-2乙醇7.23 g/100ml、甘油0.44 g/100ml
KAM-4乙醇7.58 g/100ml、甘油0.35 g/100ml
KAM-12乙醇8.02 g/100ml、甘油0.32 g/100ml。此外，KAM-4和KAM-12的乙酸和丙酮酸产量显著降低。

研究结论

通过敲除GPD1和过表达GLT1，成功构建了乙醇产量提高、甘油产量降低的酿酒酵母菌株KAM-12，同时减少了乙酸和丙酮酸的生成，有助于维持细胞氧化还原平衡。