上交团队全面表征快速生长的酿酒酵母提高工业发酵效率和产值

  酿酒酵母在酿酒业和面包业的使用已有数千年的历史，被认为是 GRAS 生物。出于多种原因，酿酒酵母被认为是工业应用中无法替代的底盘细胞。

  首先，酿酒酵母的翻译后修饰和细胞器系统有利于酶的定位和表达，例如，膜结合线 仅在酿酒酵母中成功表达，并产生 14.5mg/L的抗肿瘤灵芝酸；其次，酿酒酵母更适合表达植物和动物的基因，因为它与植物和动物的关系更密切。青蒿酸是抗疟药青蒿素的前体，在酿酒酵母中有效合成，效价为 25.0g/L 。

  然而，酿酒酵母的生长速度比大肠杆菌和纳特里根弧菌等原核生物慢。在生物合成中，酿酒酵母的缓慢生长速度是其效率的限制因素。此外，稳健性强的菌株在不同的环境中表现出更好的生长和生产能力，来提升了工业发酵的效率和产值。

  研究发现，酿酒酵母菌株 XP 是一种具有高葡萄糖浓度耐受性的快速生长菌株，可以在低 pH（pH ≤ 3）、30% 葡萄糖浓度和寡营养条件下生长。此外，研究人员成功地利用底盘菌株 XP 构建了高产菌株 XH352-D，该菌株可以在低 pH 值下生产 L-乳酸。

  这篇论文共同通讯作者陶飞是上海交通大学生命科学技术学院研究员，他主要是做微生物合成生物学和代谢工程的研究，围绕生物基材料单体化合物和精细化学品的高效生产，以光合微生物系统、抗逆微生物系统等作为生产平台开发创新微生物合成生物学方法、理念和技术方法，以期减少或消除人类对化石资源的依赖，实现各种化合物的可持续生产。

  论文共同通讯作者许平是上海交通大学特聘教授，现任上海交通大学微生物代谢国家重点实验室副主任，他的课题组专注于食品与环境微生物技术的研究，此前他和团队曾开展大量食品生物技术和环境微生物学的生物合成与生物降解研究，实现了多种天然生物香料和药用谷氨酰胺的产业化。

  研究人员从土壤中筛选分离到了快速生长的酿酒酵母菌株 XP，与研究模型菌株 S288C 和 BY4741 以及工业菌株 Ethanol Red 相比，菌株 XP 在营养丰富和寡营养的培养基中或在高和低糖浓度下生长得更快。

  ▲图 酿酒酵母在四种不同培养基和发酵培养物中的生长速率（来源：上述论文）

  对数生长期的倍增时间用于量化不同培养条件下的生长差异。在 YP30、YPD2、FM30 和 FM 培养基中生长的菌株中，XP 菌株的倍增时间最短，分别为 79.12（±1.211）、43.61（±0.8541）、84.04（±0.8165）和 45.66（± 1.971) 分钟。

  通过摇瓶发酵将菌株 XP 和 S288C 在 FM30 培养基中进行放大，以模拟工业条件并测试其生长优势。XP 菌株稳定消耗葡萄糖，24h 的OD600值达到 6.99。虽然 24h 时的OD600值相似，但发酵过程中菌株 XP 的OD600值高于菌株 S288C。这些根据结果得出 XP 菌株在培养过程中具有稳定、快速生长的优势。

  即使在30% 葡萄糖条件下的发酵培养基中，菌株 XP 也是研究中所有菌株中生长最快的。将 XP 菌株开发成真核底盘可以潜在地缩短生产周期，同时为具有广阔前景的工业应用提供巨大的经济潜力。

  为了了解遗传背景，研究人员获得了 XP 菌株的全基因组序列，以及 XP 和 S288C 菌株的转录组和代谢组数据。对这一些数据的分析揭示了菌株 XP 和标准菌株 S288C 之间线粒体、硫胺素代谢以及磷酸戊糖途径的差异。有利于建立对 XP 菌株的全面了解。

  然后发现多种因素可能有助于 XP 菌株的宿主赋予的稳健性。如菌株 XP 中的硫胺素代谢途径明显强于菌株 S288C 中的硫胺素代谢途径；此外，基因组测序多个方面数据显示 XP 菌株具有更长的 mtDNA。根据之前的一项研究，更多的线粒体 DNA 能加速细胞分裂的启动；XP 菌株中亚精胺积累程度更高，它的积累促进细胞膜和细胞壁的稳定性。这些根据结果得出菌株 XP 对压力条件具有较强的适应性。

  为了方便地操作酿酒酵母 XP 菌株，研究人员构建了一个基因操作工具箱。成功应用 Cre/loxP 系统插入和删除基因，并使用 CRISPR/Cas9 系统灭活基因。另外，成功构建了尿嘧啶营养缺陷型菌株 XP-3 和单倍体菌株 XP-H。这些结果证明，XP 菌株基因操作工具箱的有效性，这中间还包括多种操作方法。

  最终，研究人员成功地利用底盘 XP 构建了高产菌株 XH352-D，该菌株可以在低 pH 值下生产 L-乳酸。将菌株 XH352-D 在 5L 发酵罐中进行发酵。60h 时，L-乳酸的效价达到 52.6g/L，比传统方法提高了 12.9%。

  总而言之，这项研究强调了快速生长且稳健的酿酒酵母菌株作为下一代真核微生物底盘的卓越能力，为其在工业生产里的可行应用打开了大门。

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