酿酒酵母发酵菊芋源己糖生产乙醇过程中果糖的代谢调控机制研究

Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) does not compete with grain crops for arable land and is superior to the other crops in terms of its output of biomass production and inulin content. Inulin consists of linear chains of β-2,1-linked D-furanose molecules terminated by a glucose residue through a sucrose-type linkage at the reducing end. When JA is to be used for ethanol fermentation by Saccharomyces cerevisiae it is first converted to fermentable sugars by enzymes or acid. In inulin-derived sugars, the ratio of the fructose to glucose is about 4:1. The bottleneck of bio-conversion of Jerusalem artichoke is the utilization of fructose. To date, most researches focused on the hexose transport, especially the transporter and its related genes. However, there is little information about the regulation mechanism of fructose metabolites (distinguished from glucose) in ethanol fermentation with Jerusalem artichoke-derived hexose. Insights into regulation mechanism of fructose metabolites, including the regulation roles of glucose, were obtained by analyzing the regulation mechanism of fructose transport, phosphorylation and downstream metabolic pathway. Metabolic flux analysis with 13C labeling was combined with the expression profiles to investigate the key genes and pathways in the fructose metabolites to fined out the restriction step in the furctose utlization, which may provide theoretical support for the efficient utilization of Jerusalem artichoke-derived fructose.

酿酒酵母生产乙醇的原料很多，但是菊芋因其抗逆高产及高菊粉含量而备受关注。菊粉是果糖通过(β-2,1)糖苷键联接而成并以葡萄糖单元终止的果聚糖混合物。在菊粉水解液（果糖/葡萄糖比例约为4:1）乙醇发酵过程中，果糖的利用问题是影响菊芋生物转化的瓶颈之一。目前对己糖转运方面的研究较多，且主要集中在对己糖转运蛋白及其编码基因等方面的研究，对果糖的代谢调控缺少专一性的研究。在果糖占很大比例的菊芋源己糖这种特殊生物质的利用中，果糖的代谢调控机制，包括葡萄糖对果糖利用的调控机制都尚未知晓。本课题拟通过U-13C标记代谢通量及全基因组分析,从果糖转运、磷酸化及下游代谢三个模块进行分析，找到果糖代谢的限制性通道，确定限制果糖代谢的关键通路及基因，为菊芋及富含菊粉生物质的利用提供方向。

生物乙醇是当今工业生物技术中体积最大的产品。由于原料在生物制品中所占的成本比例很大，全球都在努力寻找生产乙醇的廉价原料。菊芋（Jerusalem artichoke）可以在非耕地生长得很好，并且耐霜冻、干旱、盐碱以及病虫害。菊芋在很多方面优于积累菊粉的其他植物，如生物质的产量，菊粉产量以及生态价值。目前，菊芋在北美、北欧、澳大利亚、亚洲等均有广泛的种植。菊芋储存的主要碳水化合物是菊粉，它是果糖以β-2,1糖苷键连接，末尾以葡萄糖结尾的一种聚合物。在果糖占很大比例的菊芋源己糖这种特殊生物质的利用中，酿酒酵母发酵乙醇的过程中少量葡萄糖是如何影响果糖代谢的？哪些基因是被葡萄糖调控的关键基因？代谢果糖差的酿酒酵母菌株限制基因和物质位点是什么？我们通过全基因组和物质代谢分析对上述问题进行了阐释。.结果显示与单果糖为碳源的条件相比，葡萄糖的存在仅影响了工业酿酒酵母YIC5 0.22%的基因的表达，包括HXT1-3, HXT5 和HXK1等。果葡糖（果葡糖比例为9:1）条件下果糖的消耗速率远远高于葡萄糖，因此唯一上调转运蛋白的编码基因HXT5对果糖的运输起到关键作用。对己糖下游代谢的研究发现，中心碳代谢模块为果葡混合糖条件下酿酒酵母代谢己糖的限制性通路。.发酵性能好的YIC10与发酵效率低的GIM2.71相比，下调与上调的表达基因数分别为4503，228。对YIC10来说，基因的表达是经济性的，即非必须的基因是下调的，这样细胞可以提供更多的能量到生长及乙醇生成途径。1,3-二磷酸甘油酸到3-磷酸甘油酸的反应，丙酮酸到乙醛的脱羧反应以及乙醛到乙醇的还原反应是GIM2.71的发酵效率差于YIC10的关键步骤。物质代谢分析发现，与YIC10相比，乙醇生产效率低的GIM2.71有更多的碳源流向了副产物甘油、乙酸及海藻糖合成途径。酿酒酵母菌株代谢果糖的限制基因和物质位点的定位可以为酿酒酵母高产乙醇提供精确的育种方向，也为菊芋及富含菊粉生物质的利用提供理论和技术参考。.