Label-free isolation of lipid-rich Saccharomyces cerevisiae mutant by high-throughput flow-mode Raman-activated cell sorting and multi-omics analysis for uncovering the mechanism of enhanced lipid accumulation
- 作者
- Xiaotong Ji, Xixian Wang, Wenjun Zhou, Lin Chen, Tianzhong Liu, Jian Xu, Bo Ma
- 单位
- Key Laboratory of Photoelectric Conversion and Utilization of Solar Energy, Key Laboratory of Shandong Energy Biological Genetic Resources, Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences; Shandong Energy Institute; Qingdao New Energy Shandong Laboratory, Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences; University of Chinese Academy of Sciences
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels and Bioproducts（2025）
- DOI
- 10.1186/s13068-025-02677-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
酿酒酵母虽富含棕榈油酸但脂质含量低，需提高其脂质含量以可持续生产棕榈油酸，并解析高产脂突变体的机制。
研究策略
利用zeocin与ARTP复合诱变构建突变库，通过流式拉曼激活细胞分选(FlowRACS)进行无标记高通量筛选高产脂突变体，结合全基因组重测序、转录组和靶向代谢组多组学分析揭示机制。
核心内容
本研究针对酿酒酵母脂质含量低、难以可持续生产棕榈油酸的问题，将zeocin与ARTP复合诱变构建突变库，并首次结合流式拉曼激活细胞分选（FlowRACS）进行无标记高通量筛选。通过建立脂质含量与拉曼强度（2844 cm⁻¹）的线性关系（R²=0.87），实现了优于传统荧光法的非侵入式分选，准确率超过85%。获得突变株MU2R48，其脂质含量达40.26%，较原始菌株SC018相对提高30.85%，而生物量（11.94 g/L）与原始菌株（12.02 g/L）基本相当，总脂肪酸产量从1.60 g/L提升至1.75 g/L。多组学分析显示231个差异表达基因，ACS2、FAS2、ACC1、OLE1、GND1、BAT1等关键基因显著上调，POT1、POX1、ADR1、CAT8等下调，ACS2和CIT2基因外显子分别发生点突变。结果表明，脂质积累增强主要由乙酰-CoA和NADPH前体供给通量协同上调及碳流重定向驱动，为高产脂酵母菌株的理性改造提供了关键靶点与机制依据。
创新点
首次将zeocin-ARTP复合诱变与FlowRACS结合用于筛选高产脂酿酒酵母；建立了脂质含量与拉曼强度(2844 cm⁻¹)的线性关系(R²=0.87)，优于荧光法；无标记、非侵入式、高通量分选。
研究对象（20）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae SC018 | 脂肪酸合成 | FAS2 | 脂肪酸合酶亚基α | 催化 | 上调2.28倍（log2=1.19） |
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae MU2R48 | 脂肪酸合成 | ACC1 | 乙酰辅酶A羧化酶 | 催化 | 上调1.87倍 |
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae MU2R48 | 不饱和脂肪酸合成 | OLE1 | Δ9脱饱和酶 | 催化 | 上调1.69倍 |
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae MU2R48 | 糖酵解/乙酰-CoA合成 | ACS2 | 乙酰辅酶A合成酶2 | 催化 | 上调2.55倍，外显子825位突变 |
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae MU2R48 | 乙醇降解/糖酵解 | ADH4 | 醇脱氢酶4 | 催化 | 上调2.15倍(log2) |
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae MU2R48 | 乙醇降解/糖酵解 | ALD5 | 醛脱氢酶5 | 催化 | 上调1.86倍(log2) |
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae MU2R48 | 糖酵解 | PDC1 | 丙酮酸脱羧酶同工酶1 | 催化 | 上调1.01倍(log2) |
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae MU2R48 | 糖酵解 | PDC5 | 丙酮酸脱羧酶同工酶5 | 催化 | 上调1.51倍(log2) |
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae MU2R48 | 糖酵解 | PDC6 | 丙酮酸脱羧酶同工酶6 | 催化 | 上调1.61倍(log2) |
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae MU2R48 | 磷酸戊糖途径 | GND1 | 6-磷酸葡糖酸脱氢酶 | 催化 | 上调1.89倍，提供NADPH |
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae MU2R48 | 氨基酸代谢（亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸） | LEU1 | 3-异丙基苹果酸脱水酶1 | 催化 | 上调2.20倍(log2) |
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae MU2R48 | 氨基酸代谢（亮氨酸） | LEU2 | 3-异丙基苹果酸脱氢酶2 | 催化 | 上调3.01倍(log2) |
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae MU2R48 | 氨基酸代谢（亮氨酸） | LEU9 | 2-异丙基苹果酸合酶2 | 催化 | 上调1.18倍(log2) |
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae MU2R48 | 氨基酸代谢（缬氨酸/异亮氨酸） | ILV3 | 二羟酸脱水酶 | 催化 | 上调1.77倍(log2) |
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae MU2R48 | 氨基酸代谢（支链氨基酸） | BAT1 | 支链氨基酸转氨酶 | 催化 | 上调7.67倍(log2)，与脂质代谢调控相关 |
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae MU2R48 | 脂肪酸β-氧化 | POT1 | 3-酮脂酰-CoA硫解酶 | 催化 | 下调1.65倍(log2)，受ADR1调控 |
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae MU2R48 | 脂肪酸β-氧化 | POX1 | 酰基-CoA氧化酶 | 催化 | 下调0.6倍 |
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae MU2R48 | 脂肪酸利用调控 | ADR1 | 调控蛋白ADR1 | 调控 | 下调0.7倍，负调控POT1和POX1 |
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae MU2R48 | 糖异生/乙醛酸循环 | CAT8 | 调控蛋白CAT8 | 调控 | 下调1.9倍，减少糖异生，促进脂肪酸合成 |
| 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae MU2R48 | 脂滴组装 | SEI1 | seipin同源蛋白 | 区室化 | 表达量几乎不变（+0.24），脂滴形态与亲本相似 |
关键发现
- 获得突变株MU2R48，其脂质含量为40.26%，较原始菌株SC018相对提高30.85%
- 生物量为11.94 g/L，与原始菌株(12.02 g/L)相当
- 总脂肪酸产量从1.60 g/L提高到1.75 g/L
- FlowRACS分选准确率大于85%
- 转录组分析显示231个差异表达基因，其中120个上调、111个下调
- ACS2、FAS2、ACC1、OLE1、GND1、BAT1等关键基因显著上调，POT1、POX1、ADR1、CAT8等下调
- ACS2基因外显子825位和CIT2基因外显子1179位发生点突变。
研究结论
通过zeocin-ARTP诱变结合FlowRACS成功获得脂质含量达40.26%的酿酒酵母突变株MU2R48；多组学分析表明，脂质积累增强由前体生物合成协同上调、碳流重定向及关键转录调控因子驱动，其中乙酰-CoA和NADPH产生通量增加可能是决定性因素。