重点实验室廖学品教授团队：胶原多肽提高酿酒酵母糠醛胁迫耐受性以促进乙醇合成

点击数：52025-02-25 00:00:00　来源: college and leather

　　纤维素乙醇是一种可替代燃油的绿色生物燃料，不仅能降低能源消费对石油的依赖，还可减少温室气体的排放，保护生态环境。然而，木质纤维素预处理阶段产生的糠醛会对酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）造成严重的胁迫损伤，制约纤维素乙醇的高效合成。因此，增强菌株耐受糠醛胁迫的能力，以促进乙醇的生物合成，对于突破纤维素乙醇发酵瓶颈至关重要。脯氨酸（Proline, Pro）是一种常见的胁迫保护剂，但S. cerevisiae自身的Pro合成能力有限，而外源添加Pro将增加生产成本。胶原蛋白是Pro的主要天然来源，也是一种可再生的生物质资源。胶原多肽（Collagen peptide, CP）是胶原蛋白水解产物，更容易被微生物利用。与其他蛋白相比，CP的氨基酸组成特殊，除了含有Pro外，还含有大量的甘氨酸（Glycine, Gly）和羟脯氨酸（Hydroxyproline, Hyp）。

　　基于上述背景，四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室廖学品 教授团队以S. cerevisiae为实验菌株，胶原多肽为研究对象，系统研究了胶原多肽的糠醛胁迫保护功能及相关的分子机制。首先，探究了CP在不同浓度糠醛胁迫下对细胞形态和超微结构的影响，结果发现高浓度糠醛会对细胞形态和超微结构造成严重的胁迫损伤，而引入CP则可以保护细胞，在一定程度上保持细胞形态完整、维持细胞超微结构的稳定（图1）。

图2 比较胶原多肽与其他保护剂的乙醇发酵性能: (a-c) 10G, 10GF, 10GF_4CP, 10GF_4SA, 10GF_4ADP和10GF_4Urea在48 h的葡萄糖浓度, DCW和乙醇产量; (d-f) 10GF_4CP, 10GF_4SP, 10GF_4MP和10GF_4BLP分别在48 h的葡萄糖浓度, DCW和乙醇产量

图3 氨基酸对糠醛胁迫下乙醇发酵性能的影响: (a-c) 10G, 10GF和10GF_4CP培养基中0 h, 48 h和72 h胞内Gly, Pro和Hyp的含量;
 (d-e) 10GF, 10GF_Gly, 10GF_Pro和10GF_Hyp中的葡萄糖浓度, DCW和乙醇产量随时间的变化

　　进一步研究在不同初始葡萄糖浓度下，CP对S. cerevisiae发酵性能的影响。15GF、20GF和25GF加入CP后，120 h的乙醇浓度分别从27.9、29.4和30.7 g/L增加到58.6、75.5和87.3 g/L（图4）。这表明，即使在高底物浓度下，CP也能提高底物利用率，进而提升乙醇产量。

图4 不同葡萄糖浓度下CP对S. cerevisiae发酵过程的影响: (a1-c1) 15GF和15GF_4CP培养基中的葡萄糖浓度, DCW和乙醇产量; 

(a2-c2) 20GF和20GF_4CP中葡萄糖浓度, DCW和乙醇产量; (a3-c3) 25GF和25GF_4CP中葡萄糖浓度, DCW和乙醇产量

　　此外，采用转录组分析CP提高S. cerevisiae糠醛胁迫耐受性的分子机制，发现CP的糠醛胁迫保护功能与细胞的能量、糖酵解和脂质代谢等相关基因的表达密切相关（图5）。CP能提高相关基因的表达量，从而增强S. cerevisiae的糠醛胁迫耐受性与乙醇合成能力。同时，qRT-PCR分析也进一步验证了转录组的分析结果（图6）。该研究不仅为纤维素乙醇的高效生产提供了新方法，也为CP的资源化利用提供了新的思路。

图5 转录组分析: (a-b) S. cerevisiae SLL-510分别在2Fu vs NS和2Fu_2CP vs 2Fu中与细胞成分相关的DEGs的表达;

                           (c) 2Fu_2CP vs 2Fu中与胁迫相关的DEGs的表达; (d-e) 2Fu vs NS和2Fu_2CP vs 2Fu中与代谢相关的DEGs的变化;

                           (f) 聚类分析菌株SLL-510在2Fu, 2Fu_2CP和NS中与氧化磷酸化相关基因的差异表达; 

                           (g-h) 2Fu_2CP vs 2Fu, 2Fu_2CP vs NS, 2Fu vs NS中与氧化磷酸化和糖酵解相关基因的表达水平;

                           (i) 2Fu_2CP vs 2Fu中与脂质代谢相关基因的表达水平