改造酿酒酵母葡萄糖信号传递因子缓解葡萄糖效应

Ethanol accumulation resulted in decreased productions when Saccharomyces cerevisiae served as cell factories for biochemical production. It is difficult to rewire yeast metabolism to grow in glucose excess conditions without directing most glucose towards ethanol, due to multiple regulations underlying the Crabtree effect. Therefore, this study will transcriptionally regulate glucose metabolism by engineering glucose signaling factors to reduce ethanol accumulation. Glucose signaling factors Mth1, Gsf2 and Med2 regulate transcription of their target genes together with sensor proteins and other transcription factors. Although their alleles were found to alleviate Crabtree effect, underlying mechanism or effects on metabolism regulation were still unknown. This study will introduce these alleles into wild type strains, and the constructed mutants will be characterized on their physiological parameters, intracellular metabolism, transcriptome data, etc. to investigated underlying regulations and effects upon glucose metabolism. Then selected MTH1, GSF2 or MED2 alleles will be regulated using different promoters with varied regulation patterns to fine tune glucose metabolism. As a case study, fatty acid synthesis is investigated to study the alleviated Crabtree effect on biochemical production.

酿酒酵母作为细胞工厂生产各类生物制品过程中，高浓度葡萄糖引发的葡萄糖效应往往会造成乙醇积累、产量降低，而单纯代谢途径的改造很难解决这一问题，本研究拟通过改造葡萄糖信号传递因子从转录水平上调控葡萄糖代谢网络，来降低乙醇积累并提高产品产量。葡萄糖信号传递因子Mth1、Gsf2和Med2与葡萄糖感应蛋白以及其他转录调控因子共同调控其靶点基因的转录或翻译，其等位基因存在缓解葡萄糖效应的现象，不过具体的调控基因及调控方式尚不完全清楚。本研究将在野生型酿酒酵母引入这些等位基因，构建一系列的突变菌株，通过对这些突变菌株的生理参数、胞内代谢情况以及转录组学信息，深入研究这些等位基因的调控机理及其对葡萄糖代谢的影响；并通过不同启动子对其进行调控，从而实现对葡萄糖代谢的有效调控；并以脂肪酸为例，研究葡萄糖效应缓解对生物产品合成的影响。

酿酒酵母作为细胞工厂生产各类生物制品过程中，高浓度葡萄糖引发的葡萄糖效应往往会造成乙醇积累、产量降低，而单纯代谢途径的改造很难解决这一问题，本研究拟通过改造葡萄糖信号传递因子从转录水平上调控葡萄糖代谢网络，来降低乙醇积累并提高产品产量。葡萄糖信号传递因子Mth1、Gsf2和Med2与葡萄糖感应蛋白以及其他转录调控因子共同调控其靶点基因的转录或翻译，其等位基因存在缓解葡萄糖效应的现象，不过具体的调控基因及调控方式尚不完全清楚。本研究在野生型酿酒酵母引入这些等位基因，构建一系列的突变菌株，通过对这些突变菌株的生理参数、胞内代谢情况以及转录组学信息，深入研究这些等位基因的调控机理及其对葡萄糖代谢的影响；并通过不同启动子对其进行调控，从而实现对葡萄糖代谢的有效调控；并以3-羟基丙酸为例，研究葡萄糖效应缓解对生物产品合成的影响。研究结果发现通过改造Mth1和Med2可以显著缓解葡萄糖效应，其中Mth1改造后的突变菌株ZS_mth1在高浓度葡萄糖培养基中的乙醇得率降低、菌体得率提高，但是出现生长速率降低的情况。在ZS_mth1突变菌株中改造Med2之后，突变菌株ZS_mm的生长速率明显得到改善，同时菌体得率进一步提高，乙醇得率进一步降低。转录组学分析发现这两个突变菌株的糖酵解途径和呼吸途径的代谢分布出现了明显的变化，主要是通过糖酵解途径相关基因的转录下调、TCA循环和电子传递链相关基因的转录上调、以及相关转录调控因子表达的显著变化来实现的，这些代谢途径通量的调整显著提高了菌株的能效。此外还发现，ZS_mm菌株可以生产2.04 g/L的3-羟基丙酸，比野生型酵母的产量提高了5.4倍，有望成为生物化合物合成的高效平台菌株。