工程酿酒酵母高效生产葡萄糖酸

发布日期:2024/4/1 14:34:07

葡萄糖酸是一种重要的天然二羧酸，广泛应用于医药、保健和聚合物材料等领域，被认为是“生物质来源的最有价值化学品之一”（美国能源部）。传统的葡萄糖酸合成主要通过化学氧化葡萄糖来实现，但该方法存在选择性低、产生副产物和产生高污染废物等问题。因此，开发微生物发酵法具有重要意义。近日，江南大学粮食发酵工艺与技术国家工程实验室的邓禹团队利用工程酿酒酵母实现了葡萄糖酸的高效生产，相关研究成果发表于《Appl. Environ. Microbiol.》期刊上^[1]。

酿酒酵母生产葡萄糖酸

从葡萄糖到葡萄糖酸的生物合成途径主要由肌醇磷酸合酶（Ino1），肌醇氧化酶（MIOX）和糖醛酸脱氢酶（Udh）构成。在这项研究中，研究人员构建了MIOX4和Udh的融合蛋白，并测试了不同的多肽Linker。其中，表达(EA3K)3多肽Linker的融合蛋白的酿酒酵母，获得的葡萄糖酸产量最高，比游离酶的产量提高了5.7倍。随后，研究团队利用基于delta序列的整合表达，将MIOX4-Udh融合蛋白引入酿酒酵母的基因组，并通过大肠杆菌葡萄糖酸生物传感器进行高通量筛选，最终鉴定出一个菌株GA16，其在摇瓶发酵中的葡萄糖酸产量达到了4.9克/升。

此外，团队通过进一步的工程化来调节肌醇的代谢通路，增加葡萄糖酸的前体供应。通过下调ZWF1基因的表达和过表达INM1和ITR1基因，研究团队成功提高了菌株GA16的葡萄糖酸产量。经过优化后，菌株GA16在摇瓶发酵中的葡萄糖酸产量达到了8.49克/升，提高了近70%。研究团队还通过对培养条件的优化，进一步提高了葡萄糖酸的生产效率。通过调节培养基中碳源浓度、氮源比例以及培养温度等参数，在5升生物反应器中，最终将葡萄糖酸的产量提高到了11.3克/升。

这项研究成果为高效合成葡萄糖酸提供了一种可行的生物法途径，通过工程化酿酒酵母，优化代谢通路和培养条件，成功实现了葡萄糖酸产量的显著提高，展示了酵母细胞相较于大肠杆菌细胞在葡糖酸产生方面的优势。这对于葡萄糖酸在洗涤剂、聚合物、制药和食品工业等领域的应用具有重要意义，不仅可以减少对化学合成方法的依赖，并有助于减少环境污染和资源消耗。