Furfural, 5-Hydroxymethyl Furfural, and Acetoin Act as External Electron Acceptors During Anaerobic Fermentation of Xylose in Recombinant Saccharomyces cerevisiae
- 作者
- C. Fredrik Wahlbom, Bärbel Hahn-Hägerdal
- 单位
- Department of Applied Microbiology, Lund University, PO Box 124, SE-221 00 Lund, Sweden
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（2002）
- DOI
- 10.1002/bit.10188
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
重组酿酒酵母厌氧发酵木糖时，木糖醇大量积累导致乙醇产率低，原因是NADH/NAD+不平衡，需要探索电子受体对氧化还原平衡的调节作用。
研究策略
在重组酿酒酵母TMB 3001厌氧分批发酵木糖过程中添加acetoin、糠醛和HMF等电子受体，结合代谢通量分析和关键酶活测定，定量评估其对木糖醇排泄、乙醇产率和胞内通量的影响。
研究路线图
核心内容
本研究在重组酿酒酵母TMB 3001厌氧发酵木糖过程中，系统考察了三种外源电子受体（acetoin、糠醛和5-羟甲基糠醛）对缓解NADH/NAD﹢不平衡的作用。通过添加acetoin，木糖醇排泄完全停止，乙醇产率从0.62 mol/mol木糖提高至1.35 mol/mol木糖，提升约118%，比ATP产量从856.6 μmol/g biomass/h增至1835.8 μmol/g biomass/h。代谢通量分析显示，acetoin添加后氧化戊糖磷酸途径通量降低而乙醛脱氢酶途径增强。糠醛同样能完全抑制木糖醇积累，并被化学计量还原为糠醇，但乙醇浓度略有下降；而HMF对木糖醇排泄无影响。酶活测定表明糠醇脱氢酶偏好NADH（活性490±22 mU/mg），HMFAL脱氢酶则偏好NADPH（活性22±1.4 mU/mg），从分子层面解释了二者作用差异。该研究证实糠醛可作为有效外部电子受体恢复胞内氧化还原平衡、促进木糖发酵，但ATP产量的提高仍不足以支持厌氧生长，说明还有其他因素限制重组酵母的木糖利用效率。
创新点
（1）首次定量比较了糠醛和HMF在木糖发酵中作为电子受体的不同效果；（2）发现糠醛还原偏好NADH而HMF偏好NADPH，解释了其作用差异；（3）通过通量分析揭示acetoin添加后氧化戊糖磷酸途径通量降低、乙醛脱氢酶途径增强，ATP产量翻倍。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae TMB 3001 | 木糖代谢 | XYL1 | Xylose reductase | 催化 | 来源于Pichia stipitis，可同时利用NADH/NADPH还原木糖为木糖醇 |
| Saccharomyces cerevisiae TMB 3001 | 木糖代谢 | XYL2 | Xylitol dehydrogenase | 催化 | 依赖NAD+氧化木糖醇为木酮糖 |
| Saccharomyces cerevisiae TMB 3001 | 木糖代谢 | XKS1 | Xylulokinase | 催化 | 酿酒酵母内源木糖激酶基因的额外拷贝 |
| Saccharomyces cerevisiae TMB 3001 | 乙醛代谢 | — | Acetaldehyde dehydrogenase | 催化 | NADPH特异性，活性约24 mU/mg |
| Saccharomyces cerevisiae TMB 3001 | 丁二醇代谢 | — | Butanediol dehydrogenase | 催化 | NADH特异性，将acetoin还原为2,3-丁二醇，活性约120 mU/mg |
| Saccharomyces cerevisiae TMB 3001 | 糠醛还原 | — | Furfuryl alcohol dehydrogenase | 催化 | NADH偏好（490 mU/mg），活性最高 |
| Saccharomyces cerevisiae TMB 3001 | HMF还原 | — | HMFAL dehydrogenase | 催化 | NADPH偏好（22 mU/mg），活性较低 |
关键发现
- 添加acetoin后，木糖醇排泄停止，乙醇产率从0.62 mol/mol木糖提高至1.35 mol/mol木糖（提高约118%），比ATP产量从856.6 μmol/g biomass/h增至1835.8 μmol/g biomass/h
- 添加糠醛使木糖醇排泄停止，糠醛被化学计量转化为糠醇，乙酸产量从0.6 g/L增至0.9 g/L，但乙醇浓度略有下降
- HMF对木糖醇排泄无影响。酶活测定显示，糠醇脱氢酶(NADH)活性为490±22 mU/mg，HMFAL脱氢酶(NADPH)活性为22±1.4 mU/mg。
研究结论
糠醛可作为有效的外部电子受体，通过NADH氧化为NAD+减少木糖醇积累并促进木糖发酵；HMF因偏好NADPH而效果不佳。添加电子受体可大幅提高特定ATP产量，但不足以支持厌氧生长，暗示其他因素限制重组酵母在木糖上的厌氧生长。