Disruption of URA7 and GAL6 improves the ethanol tolerance and fermentation capacity of Saccharomyces cerevisiae
- 作者
- Hisashi Yazawa, Hitoshi Iwahashi, Hiroshi Uemura
- 单位
- Institute for Biological Resources and Functions, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tsukuba, Ibaraki 305-8566, Japan; Human Stress Signal Centre, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tsukuba, Ibarak 305-8566, Japan
- 杂志
- Yeast（2007）
- DOI
- 10.1002/yea.1492
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
确定酿酒酵母乙醇耐受性的遗传基础，筛选提高乙醇耐受性的新基因，以应用于工业乙醇生产。
研究策略
利用4741个纯合二倍体酵母缺失突变体库，在含8%乙醇的培养基中直接筛选生长更快的突变株，并对获得的Δura7和Δgal6突变株进行生长、发酵、细胞壁完整性、脂肪酸组成和存活率等分析。
核心内容
该研究以4741个纯合二倍体酿酒酵母缺失突变体库为对象，在含8%乙醇的培养基中直接筛选生长更快的菌株，鉴定出Δura7和Δgal6两个乙醇耐受性显著提高的突变株。在8%乙醇条件下，Δura7和Δgal6的倍增时间分别为6.63小时和7.03小时，较野生型BY4743的11.78小时缩短近一半；Δgal6在10%乙醇中24小时存活率达到26.3%，为野生型的3.35倍。进一步分析表明，URA7和GAL6的缺失增强了细胞对zymolyase的抗性（反映细胞壁完整性提高），并在乙醇胁迫下将油酸含量提升至约45%，高于野生型的41%，改善了膜流动性。在15°C含5%乙醇的发酵条件下，Δgal6和Δura7的葡萄糖消耗率分别提高40%和14%，乙醇产量分别提高1.82倍和1.65倍。该研究首次直接筛选出乙醇耐受性提升的缺失突变株，揭示了URA7和GAL6通过增强细胞壁完整性、改变膜脂肪酸组成及诱导HSP12/26表达等机制提高乙醇耐受性，为工业乙醇发酵菌株的代谢工程改造提供了新的基因靶点。
创新点
首次直接筛选出乙醇耐受性提高的缺失突变株（Δura7和Δgal6），揭示了URA7和GAL6基因缺失通过改善细胞壁完整性和膜流动性增强乙醇耐受性的机制，为工业菌株改造提供了新靶点。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | CTP生物合成 | URA7 | CTP合成酶 | 催化 | 编码CTP合成酶，催化UTP转化为CTP；缺失提高葡萄糖消耗速率和乙醇耐受性。 |
| Saccharomyces cerevisiae | GAL基因表达调控 | GAL6 | bleomycin水解酶（半胱氨酸蛋白酶） | 调控 | 编码氨基肽酶，负调控GAL基因表达；缺失导致HSP12和HSP26表达上调，增强乙醇耐受性和存活率。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 应激响应 | HSP12 | Hsp12p | 调控 | 在Δgal6突变体中表达上调43倍，编码质膜定位蛋白，保护膜免受脱水和乙醇应激。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 应激响应 | HSP26 | Hsp26p | 调控 | 在Δgal6突变体中表达上调33倍，编码小热休克蛋白，具有分子伴侣活性。 |
关键发现
- Δura7和Δgal6在含8%乙醇的YPAD中倍增时间分别为6.63±0.45 h和7.03±0.32 h，较野生型BY4743（11.78±1.35 h）缩短约一半
- Δgal6在10%乙醇中24 h存活率为26.3±0.3%，是野生型（7.8±0.5%）的3.35倍
- Δura7葡萄糖消耗速率比野生型高24%（无乙醇）和26%（含10%乙醇）
- 两者对zymolyase抗性增强
- 在乙醇存在下，突变株油酸（C18:1）含量增至约45%（野生型41%，清酒酵母K7为50%）
- 在15°C含5%乙醇培养基中，Δgal6和Δura7葡萄糖消耗率分别提高40%和14%，乙醇产量分别提高1.82倍和1.65倍。
研究结论
URA7和GAL6的缺失通过增强细胞壁完整性、改变膜脂肪酸组成（增加油酸含量）及诱导HSP12/26表达等机制，显著提高酿酒酵母的乙醇耐受性和发酵能力，这些基因可作为代谢工程靶点用于构建高性能工业乙醇发酵菌株。