Changes and roles of membrane compositions in the adaptation of Saccharomyces cerevisiae to ethanol
- 作者
- Yanfeng Wang, Shuxian Zhang, Huaqing Liu, Lei Zhang, Chenfeng Yi, Hao Li
- 单位
- Beijing Key Laboratory of Bioprocess, College of Life Science and Technology, Beijing University of Chemical Technology
- 杂志
- Journal of Basic Microbiology（2017）
- DOI
- 10.1002/jobm.201500300
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析酿酒酵母细胞膜组分在乙醇耐受性中的作用，探究乙醇适应菌株膜成分变化及其与乙醇耐受性的关系。
研究策略
通过定向进化工程获得乙醇适应菌株M5和M10，比较亲本菌株与适应菌株在乙醇胁迫下的存活率、膜组分（麦角固醇、海藻糖、脂肪酸）含量及脂肪酸代谢相关基因表达差异。
核心内容
该研究通过定向进化工程获得两株乙醇适应型酿酒酵母菌株M5和M10，系统分析了其在乙醇胁迫下膜组分的适应性变化及与乙醇耐受性的关联。在10% v/v乙醇胁迫条件下，M5菌株的海藻糖、麦角固醇和脂肪酸含量分别较亲本菌株增加约15.7%、12.1%和29.3%，而M10菌株的增幅更大，分别达47.5%、107.8%和61.5%。两株适应菌株在乙醇暴露后存活率均显著高于亲本菌株，且M10表现优于M5。机制层面，适应菌株中脂肪酸合成关键基因ACC1和去饱和酶基因OLE1表达上调，总脂肪酸及C16:0、C16:1、C18:0、C18:1含量均显著增加，不饱和脂肪酸比例升高而饱和脂肪酸比例降低，麦角固醇与海藻糖含量呈正相关。结果表明，乙醇适应菌株通过协同提升麦角固醇、海藻糖和不饱和脂肪酸水平重塑膜组成，增强膜完整性与流动性，从而获得更高的乙醇耐受性，为酵母工业发酵中乙醇胁迫抗性改造提供了膜工程策略参考。
创新点
系统比较了乙醇适应菌株与亲本菌株的膜组分变化，提出乙醇适应菌株通过重塑膜组分（增加麦角固醇、海藻糖和不饱和脂肪酸）来维持膜完整性和流动性以适应乙醇胁迫的假说。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae CEC B9S-15 | 脂肪酸生物合成 | ACC1 | 乙酰-CoA羧化酶 | 催化 | 脂肪酸合成限速酶，在乙醇适应菌株中表达上调 |
| Saccharomyces cerevisiae CEC B9S-15 | 脂肪酸去饱和 | OLE1 | 硬脂酰-CoA 9-去饱和酶 | 催化 | 单不饱和脂肪酸合成限速酶，在乙醇适应菌株中表达上调 |
| Saccharomyces cerevisiae CEC B9S-15 | 细胞膜组分合成 | — | 麦角固醇 | 调控 | 膜稳定性相关，乙醇适应菌株含量升高 |
| Saccharomyces cerevisiae CEC B9S-15 | 海藻糖代谢 | — | 海藻糖 | 调控 | 膜保护剂，乙醇适应菌株含量升高 |
关键发现
- 在10% v/v乙醇胁迫下，M5菌株的海藻糖、麦角固醇和脂肪酸含量分别比亲本菌株增加约15.7%、12.1%和29.3%
- M10菌株分别增加约47.5%、107.8%和61.5%。M5和M10菌株在10%乙醇暴露0.5h和2h后存活率均显著高于亲本菌株（p<0.001），且M10高于M5。M5和M10菌株的ACC1和OLE1基因表达水平均高于亲本菌株（p<0.05）。在10%乙醇胁迫下，M5和M10菌株的总脂肪酸、C16:0、C16:1、C18:0、C18:1含量均显著高于亲本菌株（p<0.01），且不饱和脂肪酸比例升高、饱和脂肪酸比例降低（p<0.001）。麦角固醇与海藻糖含量呈正相关（p<0.001, r=0.934）。
研究结论
乙醇适应菌株M5和M10通过增加麦角固醇、海藻糖及不饱和脂肪酸含量，重塑细胞膜组分和结构，从而获得比亲本菌株更高的乙醇耐受性。