Enhanced Glutathione Production by Evolutionary Engineering of Saccharomyces cerevisiae Strains
- 作者
- Anett Patzschke, Matthias G. Steiger, Caterina Holz, Christine Lang, Diethard Mattanovich, Michael Sauer
- 单位
- Department of Biotechnology, BOKU- VIBT University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna, Austria; Austrian Centre of Industrial Biotechnology (ACIB GmbH), Vienna, Austria; Organobalance GmbH, Berlin, Germany
- 杂志
- Biotechnology Journal（2015）
- DOI
- 10.1002/biot.201400809
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
酿酒酵母谷胱甘肽产量有限，传统筛选方法效率低，需要开发新的高产菌株筛选策略
研究策略
以丙烯醛为选择压力，通过适应性实验室进化对酿酒酵母进行连续培养250代，逐步提高丙烯醛浓度，筛选谷胱甘肽积累增加的突变株
研究路线图
核心内容
该研究以丙烯醛为选择压力，对两株酿酒酵母进行适应性实验室进化，旨在提升谷胱甘肽产量。通过连续培养250代并逐步提高丙烯醛浓度，筛选出谷胱甘肽积累显著增加的突变株。经100代进化后，丙烯醛浓度从0.2 mM提升至0.4 mM，所得群体谷胱甘肽含量约为3%；最佳单菌落A4-19的谷胱甘肽含量达3.9%，较亲本提高2.2倍。随后对A4-19进行150代二次进化，获得突变株A4-19-13，其谷胱甘肽含量高达5.9%，为亲本A4的3.3倍，达到已报道的第二高水平，但代价是比生长速率降至0.17 h⁻¹，生物量仅为亲本的一半。在发酵罐培养中，A4-19的总谷胱甘肽产量达0.32 g/L，产率为15.7 mg/g葡萄糖，体积产率为8.28 mg/L/h，均为亲本的两倍；A4-19-13的比生产速率达到1.27 mg/g CDW/h，为亲本的2.6倍。结果表明丙烯醛是筛选谷胱甘肽超产菌株的有效选择剂，但其效果依赖菌株遗传背景，且谷胱甘肽的高积累与细胞生长呈负相关，过度积累可能导致生长缺陷。
创新点
首次利用丙烯醛作为选择剂进行适应性实验室进化筛选谷胱甘肽超产菌株；获得谷胱甘肽含量近6%的突变株，为已报道的第二高水平
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 谷胱甘肽生物合成途径 | GSH1 | γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶 | 催化 | 催化谷胱甘肽合成的第一步，受谷胱甘肽反馈抑制 |
| Saccharomyces cerevisiae | 丙烯醛解毒途径 | OYE2 | 旧黄酶2 | 催化 | NADPH依赖性氧化还原酶，将丙烯醛还原为毒性较低的丙醛 |
| Saccharomyces cerevisiae | 丙烯醛解毒途径 | OYE3 | 旧黄酶3 | 催化 | OYE2的同工酶，过表达可提高丙烯醛耐受性 |
| Saccharomyces cerevisiae | 谷胱甘肽转运 | OPT1 | 谷胱甘肽转运蛋白Hgt1p | 转运 | 又称HGT1，负责谷胱甘肽的转运，过表达导致细胞内谷胱甘肽升高并产生毒性 |
关键发现
- 经100代进化，丙烯醛浓度从0.2 mM提升至0.4 mM，其中A4-100和572m-100群体谷胱甘肽含量约3%
- 最佳单菌落A4-19谷胱甘肽含量达3.9±0.2%，较亲本A4（1.8%）提高2.2倍
- 62-8较其亲本提高2.5倍。经150代二次进化，A4-19-13谷胱甘肽含量达5.9±0.3%，是亲本A4的3.3倍，但比生长速率降至0.17 h-1（亲本0.32 h-1），生物量仅为亲本50%。发酵罐培养中，A4-19总谷胱甘肽产量0.32 g/L，产率15.7 mg/g葡萄糖，体积产率8.28 mg/L/h，均为A4的两倍
- A4-19-13比生产速率1.27 mg/g CDW/h，为A4的2.6倍。
研究结论
丙烯醛可作为筛选谷胱甘肽超产酿酒酵母菌株的有效选择剂，但效果依赖于菌株遗传背景；谷胱甘肽积累与细胞生长呈负相关，过高的谷胱甘肽含量会导致生长缺陷。