高级醇 · 代谢工程文献库

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Physiological characterization of a new thermotolerant yeast strain isolated during Brazilian ethanol production, and its application in high-temperature fermentation

作者
Cleiton D. Prado, Gustavo P. L. Mandrujano, Jonas. P. Souza, Flávia B. Sgobbi, Hosana R. Novaes, João P. M. O. da Silva, Mateus H. R. Alves, Kevy P. Eliodório, Gabriel C. G. Cunha, Reinaldo Giudici, Diele P. Procópio, Thiago O. Basso, Iran Malavazi, Anderson F. Cunha
单位
Genetic and Evolution Department, Universidade Federal de São Carlos (UFSCar); Chemical Engineering Department, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo (USP)
杂志
Biotechnology for Biofuels（2020）
DOI
10.1186/s13068-020-01817-6
所属领域
发酵工程
关键词
Brazilian ethanol productionFermentation yieldsSaccharomyces cerevisiaeStress resistanceThermotolerant yeast
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解决的核心问题

巴西乙醇生产中，现有工业酵母菌在高温（40°C）下发酵效率低，需消耗大量冷却水维持温度。需要筛选和表征能在高温下高效发酵且耐受多种胁迫因子的新型酿酒酵母菌株。

研究策略

从巴西乙醇厂分离耐热酵母，通过ITS测序和基因分型鉴定；比较候选菌株在30°C和40°C下的生长、发酵性能及对乙醇、蔗糖、乙酸、乳酸、糠醛等胁迫因子的耐受性；利用qPCR分析关键代谢基因表达；采用恒化培养和模拟巴西工业条件的发酵实验定量评估生理参数。

研究路线图

100%
核心问题：工业酵母高温发酵效率低
策略：分离巴西乙醇厂耐热酵母并鉴定
菌株鉴定：ITS测序+基因分型确认LBGA-01
表型表征：高温生长/发酵+多胁迫因子耐受
分子机制：qPCR分析关键代谢基因表达
结果：40°C发酵转化率比CAT-1高12.5%
结果：胁迫耐受性优于工业菌株CAT-1
结果：碳代谢重编程维持氧化还原平衡
结论：LBGA-01可应用于高温乙醇生产
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核心内容

该研究从巴西乙醇生产环境中分离并鉴定了一株新的耐热酿酒酵母菌株LBGA-01，旨在解决高温发酵下工业菌株效率低、冷却水消耗大的问题。通过ITS测序与基因分型确认菌株身份，系统比较了其在30°C和40°C下的生长、发酵性能及对乙醇、蔗糖、乙酸、糠醛等胁迫因子的耐受性，并结合qPCR分析和恒化培养定量评估代谢基因表达与生理参数。结果显示，在40°C、8%蔗糖发酵中，LBGA-01转化了57.5%的初始糖，比工业菌株CAT-1多12.5%；对16%乙醇和0.9mM糠醛的抗性也显著优于对照菌株。40°C厌氧培养下，葡萄糖消耗速率增加38%，乙醇产生速率增加36%，但生物量产量降低25%。基因表达分析揭示该菌株通过上调SUC2、AGT1、MAL31及SNF1等基因，调控碳代谢流向和胞内氧化还原平衡以适应高温。在模拟巴西工业发酵中，34°C下乙醇产率达86%，40°C下仍保持76.9%，但细胞活力随循环次数下降。该菌株具有应用于高温乙醇生产的潜力，可减少冷却需求并增强工艺稳健性。

创新点

发现并表征了新的耐热酿酒酵母菌株LBGA-01，能在40°C下高效发酵，对多种胁迫因子（16%乙醇、30%蔗糖、0.9mM糠醛等）抗性优于工业菌株CAT-1；揭示了其在高温下通过调控SUC2、AGT1、MAL31、SNF1、GPD2、ALD4/6、ACS2等基因表达，改变碳代谢流向以维持高乙醇产量和胞内氧化还原平衡的分子机制。

研究对象（8）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Saccharomyces cerevisiae LBGA-01 蔗糖代谢 SUC2 蔗糖转化酶 (invertase) 催化 高温发酵中表达受葡萄糖抑制，与CAT-1表达模式不同，后期蔗糖代谢可能依赖胞内转化酶。
Saccharomyces cerevisiae LBGA-01 蔗糖转运 AGT1 α-葡萄糖苷通透酶 转运 参与蔗糖主动转运，与MAL31协同作用，可能在高温下维持蔗糖摄取。
Saccharomyces cerevisiae LBGA-01 麦芽糖/蔗糖转运 MAL31 麦芽糖通透酶 转运 可与AGT1共同转运蔗糖和麦芽糖，支持高温发酵中碳源利用。
Saccharomyces cerevisiae LBGA-01 甘油合成 GPD2 NAD依赖性甘油-3-磷酸脱氢酶 催化 高温下表达未显著变化，但受到SNF1调控，可能抑制过度甘油合成以保留碳源。
Saccharomyces cerevisiae LBGA-01 乙酸代谢 ALD4 乙醛脱氢酶4 催化 在40°C发酵中表达下调，减少乙酸生成。
Saccharomyces cerevisiae LBGA-01 乙酸代谢 ALD6 乙醛脱氢酶6 催化 在40°C发酵中表达下调，减少乙酸生成。
Saccharomyces cerevisiae LBGA-01 乙酰辅酶A合成 ACS2 乙酰辅酶A合成酶2 催化 在40°C发酵中表达下调，影响乙酸利用和乙酰辅酶A供应。
Saccharomyces cerevisiae LBGA-01 碳代谢调控/能量感应 SNF1 SNF1蛋白激酶 调控 在40°C发酵中高表达，可能通过磷酸化抑制GPD2，并激活蔗糖转运和利用，维持高效乙醇发酵。

关键发现

  1. 在40°C、8%蔗糖发酵中，LBGA-01转化了57.5%的初始糖，而CAT-1仅转化45%，多转化12.5%
  2. 在16%乙醇、30%蔗糖和0.9mM糠醛胁迫下，LBGA-01比CAT-1和Sc-9721更耐受
  3. 在厌氧恒化培养中，40°C相比30°C，葡萄糖消耗速率增加38%、CO₂产生速率增加51%、甘油产生速率增加54%、乙醇产生速率增加36%、生物量产量降低25%
  4. 在模拟巴西工业发酵中，34°C下乙醇产率为86.03±1.56%，40°C下为76.9±2.72%，40°C下细胞活力从第一个循环后的54.9%降至第四个循环后的28.7%。

研究结论

新分离的LBGA-01酿酒酵母菌株具有显著的耐热性、高乙醇产量和对多种胁迫因子的抗性，可通过调控关键基因表达改变代谢途径以适应高温环境。该菌株可用于改进巴西第一代和第二代乙醇生产，减少冷却水使用，提高发酵过程稳健性。