Dynamic genome-scale modeling of Saccharomyces cerevisiae unravels mechanisms for ester formation during alcoholic fermentation
- 作者
- William T. Scott, David Henriques, Eddy J. Smid, Richard A. Notebaart, Eva Balsa-Canto
- 单位
- UNLOCK, Wageningen University & Research; Laboratory of Systems and Synthetic Biology, Wageningen University & Research; Food Microbiology Laboratory, Wageningen University & Research; Biosystems and Bioprocess Engineering Group, Vigo, IIM-CSIC
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（2023）
- DOI
- 10.1002/bit.28421
- 所属领域
- 代谢工程/系统生物学
- 关键词
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解决的核心问题
解析酿酒酵母在葡萄酒酿造等工业相关条件下香气（尤其是酯类）形成的潜在代谢机制，并解释不同商业酵母菌株在香气产生上的保守性和差异性。
研究策略
采用基于最新酵母基因组规模代谢模型Yeast8.5.0的多相多目标动态通量平衡分析（dFBA）框架，结合四个商业葡萄酒酵母菌株的发酵实验数据进行参数校准和模型验证，分析动态代谢通量分布。
核心内容
该研究基于最新的酿酒酵母基因组规模代谢模型Yeast8.5.0，构建了一个多相多目标动态通量平衡分析框架，用于解析葡萄酒酿造条件下香气酯类形成的代谢机制。研究者以四个商业葡萄酒酵母菌株为对象，通过发酵实验数据校准模型，成功模拟了葡萄糖、果糖、乙醇等主要代谢物的动态变化，多数拟合优度R²超过0.89，乙醇产量预测约100 g/L。模型揭示了酯类形成的核心机制：乙酸酯生成主要受细胞内乙酰-CoA/CoA比例调节，而乙酯形成则通过消耗CoA帮助细胞去除有毒脂肪酸。菌株间的通量差异在碳水化合物积累期最为显著，例如Uvaferm和Opale菌株的脂肪酸-酰基-CoA合酶通量分别比Elixir高71.1%和12.6%，对应的乙基丁酸和乙基己酸产量也相应提高。该工作不仅阐明了酯类代谢的保守性与菌株特异性机制，也为工业酵母菌株的理性改良和香气定向代谢工程提供了理论依据。
创新点
将多相多目标dFBA框架应用于氮限制、厌氧的葡萄酒酿造条件；在碳水化合物积累阶段引入蛋白质最大化和蛋白质周转模拟；添加碳水化合物积累交换通量；在指数生长期将高级醇产生与氨基酸消耗耦合；揭示了酯形成与乙酰-CoA/CoA水平及脂肪酸解毒相关的保守机制和菌株特异机制。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae (Uvaferm 43, Lalvin R2, Lalvin ICV Opale, Vitlevure Elixir) | 中心碳代谢（糖酵解、TCA循环、甘油合成） | — | 甘油-3-磷酸脱氢酶 | 催化 | 菌株间差异通量，影响甘油产生（r_0492） |
| Saccharomyces cerevisiae | 天冬氨酸生物合成途径 | HOM3/HOM6相关 | 天冬氨酸-半醛脱氢酶、高丝氨酸脱氢酶 | 催化 | r_0219和r_0547，菌株间差异通量，与琥珀酸和甘油产生相关 |
| Saccharomyces cerevisiae | 酯合成途径（乙酸酯和脂肪酸乙酯） | ATF1, ATF2, EEB1, EHT1 | 醇乙酰转移酶（AATs）、乙醇酰基转移酶 | 催化 | 乙酸酯由醇与乙酰-CoA缩合，脂肪酸乙酯由酰基-CoA与醇缩合；r_0160等 |
| Saccharomyces cerevisiae | 乙酰-CoA代谢 | BAP2, ATF1 | 乙酰-CoA合成酶、乙酰-CoA羧化酶 | 调控 | 乙酰-CoA/CoA比例调控乙酸酯生成；r_0112, r_0113, r_0109 |
| Saccharomyces cerevisiae | 脂肪酸合成与降解 | FAS1, FAS2 | 脂肪酸合酶复合体、脂肪酸-酰基-CoA合酶 | 催化 | 中链脂肪酸从FAS复合物释放后经CoA活化形成乙酯，r_2140, r_2141 |
| Saccharomyces cerevisiae | GABA分流/谷氨酸代谢 | GDH1/GDH2 | NAD+依赖的谷氨酸脱氢酶 | 催化 | Uvaferm菌株通过GABA分流产生琥珀酸（r_0471） |
| Saccharomyces cerevisiae | 碳水化合物储存 | TPS1/TPS2 | 海藻糖磷酸酶 | 催化 | r_1051，Uvaferm在停滞期有通量，其他菌株在碳水化合物积累期 |
关键发现
- 模型成功模拟了葡萄酒发酵过程，乙醇预测平均浓度约100 g/L（初始糖约220 g/L，理论产量约101 g/L），甘油约7 g/L、苹果酸约3.2 g/L、琥珀酸约1.4 g/L、乙酸约0.5 g/L
- 主要代谢物拟合中位R²：葡萄糖0.98、果糖0.96、乙醇0.98、YAN 0.92、生物量0.96、甘油0.89、琥珀酸0.81、乙酸0.77
- 除组氨酸（0.83）、赖氨酸（0.80）、天冬酰胺（0.79）外，氨基酸谱拟合R²>0.92，多数VOCs的R²>0.85。乙酸酯生成主要受细胞内乙酰-CoA/CoA比例调节
- 乙酯形成有助于利用CoA去除有毒脂肪酸。Uvaferm和Opale菌株中脂肪酸-酰基-CoA合酶（n-C16:0CoA）通量分别比Elixir高71.1%和12.6%，总乙基丁酸和乙基己酸产量分别高14.4%和8.2%
- R2菌株在指数期乙酰-CoA羧化酶相关反应（r_0109）通量最低，但在碳水化合物积累期乙基丁酸形成通量最高（6×10⁻⁶ mmol/mmolH）。菌株间通量差异最大出现在碳水化合物积累期。
研究结论
动态基因组规模代谢模型能够较好预测商业葡萄酒酵母在酿造条件下的生长和关键香气代谢物；酯形成取决于细胞内乙酰-CoA/CoA水平，乙酯形成有助于去除细胞内有毒脂肪酸。研究揭示的菌株特异代谢机制可为工业菌株优化和未来代谢工程策略提供理论指导。