Metabolic engineering of the oleaginous yeast Yarrowia lipolytica PO1f for production of erythritol from glycerol
- 作者
- Sujit Sadashiv Jagtap, Ashwini Ashok Bedekar, Vijay Singh, Yong-Su Jin, Christopher V. Rao
- 单位
- Department of Chemical and Biomolecular Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign; DOE Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation, University of Illinois at Urbana-Champaign; Department of Agricultural and Biological Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign; Department of Food Science and Nutrition, University of Illinois at Urbana-Champaign
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels（2021）
- DOI
- 10.1186/s13068-021-02039-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过代谢工程提高解脂耶氏酵母Yarrowia lipolytica PO1f以甘油为底物生产赤藓糖醇的产量和底物利用率。
研究策略
异源表达酿酒酵母的糖醇磷酸酶(PYP)，并组合过表达内源甘油激酶(GK)和转酮醇酶(TKL)，同时结合渗透胁迫和C/N比优化，利用纯甘油和粗甘油进行摇瓶分批及补料分批发酵。
核心内容
该研究通过代谢工程改造解脂耶氏酵母Yarrowia lipolytica PO1f，以甘油为底物提高赤藓糖醇产量。研究首先在2.5% NaCl渗透胁迫下使赤藓糖醇产量达5.8 g/L，转录组和代谢组分析表明渗透胁迫诱导甘油激酶基因上调32倍、二羟丙酮激酶上调15倍，并显著积累谷氨酸和亚精胺等渗透保护物质。在此基础上，异源表达酿酒酵母糖醇磷酸酶PYP使赤藓糖醇产量从10.7 g/L提升至18.6 g/L，甘油消耗速率从0.414提高至0.562 g/L/h。进一步组合过表达内源甘油激酶GK和转酮醇酶TKL，所得菌株PO1f-PYP-GK-TKL在分批发酵中产赤藓糖醇27.5 g/L，甘油消耗速率达1.042 g/L/h；补料分批发酵产量达58.8 g/L，粗甘油分批发酵产量16.7 g/L，较对照提高约2.6倍。结果表明异源表达PYP可与GK和TKL过表达策略有效叠加，该菌株可利用廉价粗甘油高效生产赤藓糖醇，展示了其在工业生物制造中的应用潜力。
创新点
首次将酿酒酵母糖醇磷酸酶(PYP)应用于Y. lipolytica中提高赤藓糖醇产量；证明PYP可与甘油激酶、转酮醇酶过表达策略叠加；通过转录组和代谢组解析渗透胁迫诱导赤藓糖醇积累的机制。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Yarrowia lipolytica PO1f | 赤藓糖醇生物合成途径 | YNL010W (PYP) | 糖醇磷酸酶 (sugar alcohol phosphatase) | 催化 | 来自酿酒酵母，密码子优化后异源表达，催化赤藓糖-4-磷酸等脱磷酸生成糖醇 |
| Yarrowia lipolytica PO1f | 甘油分解代谢途径 | GK | 甘油激酶 (glycerol kinase) | 催化 | 内源基因过表达，催化甘油磷酸化为甘油-3-磷酸 |
| Yarrowia lipolytica PO1f | 磷酸戊糖途径 | TKL | 转酮醇酶 (transketolase) | 催化 | 内源基因过表达，催化甘油醛-3-磷酸与景天庚酮糖-7-磷酸生成赤藓糖-4-磷酸 |
| Yarrowia lipolytica PO1f | 甘油分解代谢途径 | DAK1/DAK2 | 二羟丙酮激酶 | 催化 | 渗透胁迫下表达上调15倍，参与DHA途径 |
| Yarrowia lipolytica PO1f | 甘油分解代谢途径 | GCY1/YPR1 | 甘油脱氢酶 | 催化 | 渗透胁迫下表达上调10倍 |
| Yarrowia lipolytica PO1f | 磷酸戊糖途径 | TAL1 | 转醛醇酶 | 催化 | 渗透胁迫下表达上调2-3倍 |
| Yarrowia lipolytica PO1f | 磷酸戊糖途径 | ZWF1 | 葡萄糖-6-磷酸脱氢酶 | 催化 | 渗透胁迫下表达上调2-3倍 |
| Yarrowia lipolytica PO1f | 磷酸戊糖途径 | GND1 | 6-磷酸葡糖酸脱氢酶 | 催化 | 渗透胁迫下表达上调2-3倍 |
| Yarrowia lipolytica PO1f | 甘油分解代谢途径 | FPS1/FPS2 | 水甘油通道蛋白 | 转运 | 甘油摄取相关，渗透胁迫下有表达 |
| Yarrowia lipolytica PO1f | 赤藓糖醇生物合成途径 | ER | 赤藓糖还原酶 | 催化 | 文献提及，催化赤藓糖还原为赤藓糖醇 |
关键发现
- 渗透胁迫（2.5% NaCl）下Y. lipolytica PO1f在甘油上赤藓糖醇产量达5.8±0.3 g/L
- 异源表达PYP使赤藓糖醇产量从10.7±0.2 g/L提高到18.6±0.2 g/L，甘油消耗率从0.414 g/L/h提高到0.562 g/L/h
- 组合过表达PYP、GK和TKL的菌株PO1f-PYP-GK-TKL在分批发酵中产赤藓糖醇27.5±0.7 g/L，甘油消耗速率1.042 g/L/h，赤藓糖醇得率0.275 g/g甘油
- 补料分批发酵摇瓶产量达58.8±1.68 g/L
- 粗甘油分批发酵产量16.7±1.5 g/L（对照6.4±0.6 g/L）
- 甘油利用提高2.5倍
- 渗透胁迫下甘油激酶基因表达上调32倍，DAK上调15倍，TKL等磷酸戊糖途径基因上调2-3倍
- 胞内代谢组分析显示谷氨酸提高24倍、亚精胺提高41倍、赤藓糖醇提高10.9倍。
研究结论
异源表达糖醇磷酸酶PYP可作为一种正交策略提高Y. lipolytica赤藓糖醇产量，并能与过表达GK和TKL等已知策略叠加；最佳菌株PO1f-PYP-GK-TKL可利用纯甘油和粗甘油高效生产赤藓糖醇，展示了Y. lipolytica作为赤藓糖醇生产平台应用于廉价底物的潜力。