Promotion of compound K production in Saccharomyces cerevisiae by glycerol
- 作者
- Weihua Nan, Fanglong Zhao, Chuanbo Zhang, Haiyan Ju, Wenyu Lu
- 单位
- School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University; Key Laboratory of System Bioengineering (Tianjin University), Ministry of Education; SynBio Research Platform, Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering (Tianjin)
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2020）
- DOI
- 10.1186/s12934-020-01306-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在酿酒酵母中高效合成人参皂苷Compound K (CK)，解决PPD糖基化效率低和UDPG供应不足的问题。
研究策略
在PPD生产菌株WLT-MVA5中过表达UGT1、PGM2和UGP1基因以增强糖基化能力和UDPG供应；利用甘油作为部分碳源促进PPD向CK的转化；在5-L生物反应器中通过乙醇和甘油混合补料实现高密度发酵。
核心内容
该研究在酿酒酵母中通过代谢工程策略提高人参皂苷Compound K（CK）的产量。作者在已产PPD的菌株WLT-MVA5中依次过表达糖基转移酶UGT1及UDPG合成通路基因UGP1和PGM2，以增强PPD糖基化效率和UDPG供给。摇瓶结果显示，单独表达UGT1的WLN-1菌株96小时CK产量为146.79 mg/L，PPD转化率22.68%；过表达UGP1后WLN-2产量升至211.42 mg/L，继续增加PGM2使WLN-3产量达263.94 mg/L，转化率提升至64.23%，较WLN-1产量提高79.81%。改用20%碳摩尔甘油替代葡萄糖后，CK产量进一步增至384.52 mg/L，转化率和碳源得率分别达77.37%和15.60 mg/g。最终在5-L发酵罐中采用乙醇与甘油混合补料策略，CK产量达到1.70 g/L，为目前报道的最高水平。该工作表明增强糖基化并优化碳源组成可显著提升人参皂苷CK的生物合成效率，其策略对其它依赖UDPG的糖基化天然产物合成具有借鉴意义。
创新点
过表达UGT1和UDPG合成相关基因构建酿酒酵母CK生产菌株；发现甘油可显著提高PPD向CK的糖基化转化效率；通过乙醇与甘油同时补料在5-L发酵罐中实现CK产量1.7 g/L（目前最高水平）。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 人参皂苷CK合成通路（PPD→CK） | UGT1 | UDP-葡萄糖基转移酶 | 催化 | 催化PPD糖基化生成CK |
| Saccharomyces cerevisiae | UDPG合成通路 | PGM2 | 磷酸葡萄糖变位酶2 | 催化 | 催化葡萄糖-6-磷酸转化为葡萄糖-1-磷酸 |
| Saccharomyces cerevisiae | UDPG合成通路 | UGP1 | UTP-葡萄糖-1-磷酸尿苷酰转移酶1 | 催化 | 催化葡萄糖-1-磷酸转化为UDPG |
关键发现
- WLN-1（仅过表达UGT1）96 h CK产量146.79±5.11 mg/L，PPD转化率22.68±0.29%
- 过表达UGP1后WLN-2 CK产量211.42±11.01 mg/L，转化率43.11±0.54%
- 继续过表达PGM2得到WLN-3，CK产量263.94±2.36 mg/L，转化率64.23±0.41%，与WLN-1相比CK产量提高79.81%，转化率提高183.20%。用20%碳摩尔甘油替代葡萄糖（YPDG 20%）发酵，CK产量达384.52±15.23 mg/L，较YPD提高45.68%，PPD转化率提高至77.37±3.37%，碳源得率15.60±0.62 mg/g（提高47.73%）。5-L补料分批发酵中同时补加乙醇和甘油，CK产量达1.70±0.16 g/L。
研究结论
通过过表达UGT1及UDPG合成相关基因并利用甘油作为辅助碳源，显著提高了酿酒酵母中CK的产量，5-L生物反应器中达到1.7 g/L，为目前最高报道水平。该策略可推广至其他糖基化天然产物的合成。