Dynamics and quantitative analysis of the synthesis of fermentative aromas by an evolved wine strain of Saccharomyces cerevisiae
- 作者
- Mouret, J.R., Cadiere, A., Aguera, E., Rollero, S., Ortiz-Julien, A., Sablayrolles, J.M., Dequin, S.
- 单位
- INRA, UMR1083, F-34060 Montpellier Cedex 1, France; Lallemand SAS, F-31700 Blagnac, France; INRA, UE999, F-11430 Gruissan, France
- 杂志
- Yeast（2015）
- DOI
- 10.1002/yea.3028
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
比较进化菌株ECA5与其祖先菌株EC1118在葡萄酒发酵过程中产生发酵香气的动态和定量差异，并揭示其代谢调控基础。
研究策略
利用在线气相色谱（GC）高频率监测系统，在中试规模下于天然和合成葡萄汁中进行发酵，动态测定多种高级醇和酯类的产量及气液平衡，计算合成速率、产量和时序参数，并比较不同菌株及不同甾醇来源（麦角固醇或植物甾醇）的影响。
研究路线图
核心内容
该研究利用在线气相色谱高频率监测系统，在天然与合成葡萄汁中比较了进化菌株ECA5与祖先菌株EC1118在葡萄酒发酵过程中高级醇和酯类的合成动态与定量差异。结果显示，ECA5大多数高级醇和酯类的合成速率更高，其中2-苯乙醇在最大细胞数时峰面积较EC1118高出103%，发酵结束时仍高58%，表明其主要在生长阶段过量合成，与戊糖磷酸途径通量增加一致。异丁醇和异戊醇产量在天然葡萄汁中均更高，合成培养基中异丁醇在麦角固醇和植物甾醇条件下分别高42%和49%。四种乙酸酯在ECA5中系统性增产且幅度超过相应前体，乙基酯总产量不一定更高但动力学特征差异显著。ECA5脂质产量为EC1118的4倍，且甾醇种类对异丁醇与异戊醇合成影响不同。研究还发现24°C下异丁醇和己酸乙酯挥发损失分别占0.61%和42%，需修正气液平衡。该动态定量方法揭示了进化菌株香气合成调控差异源于中心碳代谢重塑，为菌株香气特性表征提供了新途径。
创新点
首次对进化菌株ECA5进行发酵香气的动态定量分析；高分辨率在线监测揭示合成时序的菌株间差异；发现2-苯乙醇在生长阶段过量合成，与戊糖磷酸途径通量增加相关联；发现甾醇种类对异丁醇和异戊醇合成的差异化影响。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae ECA5 | 戊糖磷酸途径 | — | — | 能量供给 | 通过适应性进化提高通量，产生NADPH和生物合成前体，与2-苯乙醇和脂质合成增加相关 |
| Saccharomyces cerevisiae ECA5 | 高级醇代谢（Ehrlich途径） | — | — | 催化 | 涉及异丁醇、异戊醇、2-苯乙醇等高级醇的合成，ECA5产量更高 |
| Saccharomyces cerevisiae ECA5 | 酯类合成 | ATF1, ATF2 | Atf1p, Atf2p | 催化 | 醇乙酰转移酶，催化高级醇转化为乙酸酯，ECA5中乙酸酯产量显著增加 |
| Saccharomyces cerevisiae ECA5 | 脂质代谢 | — | — | 调控 | 乙基酯合成与脂质代谢相关，ECA5脂质合成增加，但乙基酯产量不一定总是高于EC1118 |
关键发现
- ECA5相比EC1118，除了丙醇外，大多数高级醇和酯类的合成速率更高。在最大细胞数时，2-苯乙醇峰面积在天然葡萄汁中比EC1118高103%，合成培养基中高97%，发酵结束时分别高58%和25%
- 这表明2-苯乙醇主要生长阶段合成，与PP途径通量增加一致。在天然葡萄汁中，ECA5的异丁醇和异戊醇产量均更高
- 在合成培养基中，异丁醇产量更高（如含麦角固醇时高42%，含植物甾醇时高49%），而异戊醇仅在植物甾醇条件下高27%，麦角固醇下两者接近（差异约3%）。四种乙酸酯（乙酸乙酯、乙酸异丁酯、乙酸异戊酯、乙酸苯乙酯）在ECA5中均系统性增产，且增产幅度大于相应高级醇前体。乙基酯（己酸乙酯、辛酸乙酯）的总产量不一定更高，但动力学特征差异显著。ECA5的脂质产量是EC1118的4倍。此外，在24°C下，异丁醇和己酸乙酯的挥发损失分别占0.61%和42%，因此计算总产量时需考虑气液平衡。
研究结论
动态定量分析揭示了进化菌株ECA5与祖先菌株EC1118在香气合成调控上的显著差异，特别是2-苯乙醇和乙酸酯类的过量合成，以及酯类合成时序的不同。这些差异可能源于进化过程中中心碳代谢的重塑，尤其是戊糖磷酸途径通量增加导致的NADPH生成和脂质代谢改变。该动态分析工具为菌株 aromatics 特性的表征提供了新途径。