Metabolic flux sampling predicts strain-dependent differences related to aroma production among commercial wine yeasts
- 作者
- William T. Scott Jr., Eddy J. Smid, David E. Block, Richard A. Notebaart
- 单位
- Department of Chemical Engineering, University of California, Davis, CA, USA; Food Microbiology, Wageningen University & Research, Wageningen, The Netherlands; Department of Viticulture and Enology, University of California, Davis, CA, USA
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2021）
- DOI
- 10.1186/s12934-021-01694-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析商业葡萄酒酵母菌株在葡萄酒酿造条件下产生挥发性有机化合物（VOCs）的菌株依赖性差异的内在代谢机制，特别是氨基酸、碳和脂质代谢如何影响香气形成。
研究策略
利用最新酵母基因组规模代谢模型Yeast 8.4.2，以实验测定的细胞外代谢物流量（包括糖、氨基酸、VOCs等）为约束，对四种商业葡萄酒酵母菌株在不同生长阶段进行蒙特卡洛随机通量采样（flux sampling），结合主成分分析（PCA）和层次聚类分析比较菌株间的胞内代谢状态差异，并鉴定导致菌株表型差异的关键反应及基因关联。
核心内容
本研究利用酵母基因组规模代谢模型Yeast 8.4.2，以实验测定的细胞外代谢物流量（包括糖、氨基酸和挥发性有机化合物）为约束，对四种商业葡萄酒酵母菌株（Elixir、Opale、R2、Uvaferm）在不同发酵阶段进行蒙特卡洛随机通量采样，结合主成分分析和层次聚类揭示菌株间胞内代谢状态的差异。结果显示，24小时时前两个主成分解释87.8%的方差，Uvaferm与丙醇和己酸乙酯最相关，R2与乙酸乙酯最相关，Opale与异丁醇最相关，Elixir与苯乙醇和苯乙酸乙酯最相关。通量采样预测表明，Uvaferm和Elixir代谢状态相似，而R2和Opale在Ehrlich途径和碳代谢上差异最大；Opale的丙酮酸脱羧酶反应中位通量高于其他菌株，R2的中央碳代谢通量较高但挥发性有机化合物产量均较低。模型还鉴定了与菌株表型变异相关的top 20通量反应，主要涉及转氨酶、脱羧酶、己糖激酶及甘油磷脂代谢。该研究证明随机通量采样结合基因组规模模型可有效解析商业葡萄酒酵母菌株香气形成的代谢基础，为筛选具有理想香气特征的菌株提供理论指导。
创新点
['将无目标函数的随机通量采样方法应用于葡萄酒酿造条件下的商业酵母菌株代谢比较，避免FBA等传统方法对最优解的依赖。', '利用最新酵母模型Yeast 8.4.2中包含扩展Ehrlich途径和香气相关代谢反应的优势，系统解析商业菌株间VOC产生差异的代谢基础。', '通过通量采样分布的统计比较，鉴定出与菌株表型差异相关的top 20反应，并推断基因关联差异。']
研究对象（19）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae (商业葡萄酒酵母菌株 Uvaferm, R2, Opale, Elixir) | 酪氨酸代谢/Ehrlich途径 | ARO9 | 酪氨酸转氨酶 | 催化 | Ehrlich途径转氨酶，催化酪氨酸向4-羟基苯丙酮酸转化 |
| Saccharomyces cerevisiae (商业葡萄酒酵母菌株 Uvaferm, R2, Opale, Elixir) | 丙氨酸代谢 | ALT2 | 丙氨酸转氨酶 | 催化 | 催化L-丙氨酸与2-酮戊二酸转氨 |
| Saccharomyces cerevisiae (商业葡萄酒酵母菌株 Uvaferm, R2, Opale, Elixir) | 柠檬酸循环 | ACO2 | 柠檬酸水合酶（顺乌头酸酶） | 催化 | 柠檬酸循环中柠檬酸异构成异柠檬酸 |
| Saccharomyces cerevisiae (商业葡萄酒酵母菌株 Uvaferm, R2, Opale, Elixir) | Ehrlich途径/糖酵解 | ADH5, ADH1 | 醇脱氢酶（乙醛还原为乙醇） | 催化 | 参与高级醇和乙醇合成 |
| Saccharomyces cerevisiae (商业葡萄酒酵母菌株 Uvaferm, R2, Opale, Elixir) | 丙酮酸代谢 | GLO2 | 羟乙酰谷胱甘肽水解酶 | 催化 | 丙酮酸代谢相关 |
| Saccharomyces cerevisiae (商业葡萄酒酵母菌株 Uvaferm, R2, Opale, Elixir) | 丙酮酸代谢 | GLO1 | 乳酰谷胱甘肽裂解酶 | 催化 | 丙酮酸代谢相关 |
| Saccharomyces cerevisiae (商业葡萄酒酵母菌株 Uvaferm, R2, Opale, Elixir) | 糖酵解/碳代谢 | PGK1 | 磷酸甘油酸激酶 | 催化 | 糖酵解关键酶 |
| Saccharomyces cerevisiae (商业葡萄酒酵母菌株 Uvaferm, R2, Opale, Elixir) | 糖酵解/碳代谢 | TDH3 | 甘油醛-3-磷酸脱氢酶 | 催化 | 糖酵解关键酶 |
| Saccharomyces cerevisiae (商业葡萄酒酵母菌株 Uvaferm, R2, Opale, Elixir) | 糖酵解/丙酮酸代谢 | CDC19 | 丙酮酸激酶 | 催化 | 催化磷酸烯醇式丙酮酸转化为丙酮酸 |
| Saccharomyces cerevisiae (商业葡萄酒酵母菌株 Uvaferm, R2, Opale, Elixir) | 糖酵解/碳代谢 | GPM1 | 磷酸甘油酸变位酶 | 催化 | 糖酵解关键酶 |
| Saccharomyces cerevisiae (商业葡萄酒酵母菌株 Uvaferm, R2, Opale, Elixir) | Ehrlich途径/糖酵解 | PDC6, PDC1, PDC5 | 丙酮酸脱羧酶 | 催化 | Ehrlich途径中α-酮酸脱羧成醛 |
| Saccharomyces cerevisiae (商业葡萄酒酵母菌株 Uvaferm, R2, Opale, Elixir) | Ehrlich途径/脂肪酸降解 | ADH2 | 醇脱氢酶（乙醇氧化为乙醛） | 催化 | 与乙醛和乙酸生成相关 |
| Saccharomyces cerevisiae (商业葡萄酒酵母菌株 Uvaferm, R2, Opale, Elixir) | 糖酵解/己糖代谢 | HXK2, GLK1, HXK1, EMI2 | 己糖激酶 | 催化 | 催化葡萄糖磷酸化 |
| Saccharomyces cerevisiae (商业葡萄酒酵母菌株 Uvaferm, R2, Opale, Elixir) | 天冬氨酸/酪氨酸代谢 | AAT2 | 天冬氨酸转氨酶 | 催化 | Ehrlich途径相关转氨酶 |
| Saccharomyces cerevisiae (商业葡萄酒酵母菌株 Uvaferm, R2, Opale, Elixir) | 甘氨酸/丝氨酸/苏氨酸代谢 | HOM2 | 天冬氨酸半醛脱氢酶 | 催化 | 氨基酸合成相关 |
| Saccharomyces cerevisiae (商业葡萄酒酵母菌株 Uvaferm, R2, Opale, Elixir) | 甘氨酸/丝氨酸/苏氨酸代谢 | HOM6 | 高丝氨酸脱氢酶 | 催化 | 氨基酸合成相关 |
| Saccharomyces cerevisiae (商业葡萄酒酵母菌株 Uvaferm, R2, Opale, Elixir) | Ehrlich途径 | THI3 | 3-甲基-2-氧代戊酸脱羧酶 | 催化 | Ehrlich途径支链α-酮酸脱羧 |
| Saccharomyces cerevisiae (商业葡萄酒酵母菌株 Uvaferm, R2, Opale, Elixir) | 甘油磷脂代谢 | GPD1, GPD2 | 甘油-3-磷酸脱氢酶 | 催化 | 甘油合成，与次级代谢产物生成相关 |
| Saccharomyces cerevisiae (商业葡萄酒酵母菌株 Uvaferm, R2, Opale, Elixir) | 磷酸戊糖途径/碳代谢 | GND1, GND2 | 磷酸葡萄糖酸脱氢酶 | 催化 | 磷酸戊糖途径氧化阶段酶 |
关键发现
- 四种商业菌株（Elixir, Opale, R2, Uvaferm）产生不同量的关键VOCs
- PCA分析显示24 h时前两个主成分解释87.8%方差（PC1=55%，PC2=32.8%），58 h时为81.8%（PC1=43.9%，PC2=37.9%），144 h时为84.4%（PC1=59.2%，PC2=25.2%）。24 h时，Uvaferm与丙醇和己酸乙酯最相关，R2与乙酸乙酯最相关，Opale与异丁醇最相关，Elixir与苯乙醇和苯乙酸乙酯最相关。通量采样预测表明Uvaferm和Elixir代谢相似，R2和Opale在Ehrlich途径和碳代谢上差异最大
- Opale的丙酮酸脱羧酶反应中位通量高于其他菌株，而R2（所有VOC均较低）的中央碳代谢通量较高
- Elixir和Uvaferm的差异主要体现在转氨酶和己糖激酶相关反应。模型还鉴定了与菌株表型变异相关的top 20通量（如24 h）。发酵过程中多数VOC（尤其杂醇油）的快速生成与氮源消耗高峰和最高比生长速率同步（36 h前）。
研究结论
研究表明，结合随机通量采样与基因组规模代谢模型可以揭示商业葡萄酒酵母菌株在香气形成上的菌株特异性代谢差异，尤其是氨基酸、碳和甘油磷脂代谢中的关键反应（如Ehrlich途径、转氨酶、脱羧酶、己糖激酶等）。这些差异与VOC（高级醇和酯类）的产生密切相关，可为开发或筛选具有理想香气特征的葡萄酒酵母菌株提供理论指导。