应用氧化还原平衡工程提高酿酒酵母L-乳酸产量

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文章背景简介

BACKGROUND INTRODUCTION

聚乳酸是一种可再生的原材料，越来越多地用于生物塑料的制造，它提供了一种可持续的替代石油的材料。最近关注的焦点集中在合成聚乳酸的L－乳酸单体的生产上。L－乳酸通常由乳酸菌在碳水化合物发酵中大量产生，由于这些微生物对pH较敏感，工业乳酸生产需要添加大量的中和剂，如CaCO3、NaOH和NH4OH，这些中和剂损害了乳酸盐沉淀的再生，并且增加了成本，因此限制了乳酸的生产。

丙酮酸脱羧酶（PDC1，PDC5和PDC6）编码基因的缺失以及异源NAD＋依赖性乳酸脱氢酶的表达，会导致酿酒酵母菌株能够在很少或没有乙醇形成的情况下产生乳酸。虽然这确实使乙醇减少甚至消失，但乳酸产量并没有很大的提高。

代谢过程中，氧化还原辅因子在耦合分解代谢和合成代谢以及能量产生中起着关键作用。细胞中的氧化还原辅因子是动态消耗的，且由许多同时发生的氧化还原反应补充。因此，氧化还原辅助因子的扰动影响产品概况和细胞内代谢物水平。事实上，通过靶向氧化还原辅因子（如NADH）来进行工程代谢是酿酒酵母中的一种有效策略。

2015年，三星先进技术研究所生物材料实验室的Gyeonggi－do等人在《Biotechnol． Bioeng．》（IF＝4．260，工程技术2区）发表了题为“Engineering cellular redox balance in Saccharomyces cerevisiae for improved production of L－lactic acid”的文章。在这项研究中，通过删除胞质NADH脱氢酶（NDE1和Nde2）的NADH消耗反应来操纵细胞内氧化还原辅助因子，可以有效提高酿酒酵母的L－乳酸产量。

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所用到的主要方法

METHODS

1．质粒的构建

2．不同强度的启动子的选择

3．L－乳酸产生菌的构建

4．摇瓶发酵生产L－乳酸

5．补料分批发酵生产L－乳酸

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文章主要内容摘要

ABSTRACT

酿酒酵母（Saccharomyces Cerevisiae）是最具特征的真核生物，是最大工业生物技术产品生产的首选微生物细胞工厂，并且作为各种化学产品生产强大的、商业性的、可兼容的工具而被开发利用。酿酒酵母也被用作乳酸生产的宿主，因其具有很高的耐酸性。本研究通过将细胞代谢通量重定向到L－乳酸的产生，构建了L－乳酸高产酿酒酵母（S．cerevisiae）。为此，本研究删除了编码丙酮酸脱羧酶1（PDC1）、L－乳酸细胞色素c氧化还原酶（CYB2）和甘油－3－磷酸脱氢酶（GPD1）的酿酒酵母基因，代之以异源L－乳酸脱氢酶（LDH）基因。编码外源性NADH脱氢酶同工酶的两个新的靶基因（NDE1和NDE2）也从基因组中删除，以重新设计细胞内氧化还原平衡。结果发现，构建的菌株产生乳酸的效率更高（最终L－乳酸滴度增加了32．6％）。当在生物反应器中以饲料批式模式进行测试时，该工程菌在低pH条件下产生117g／L的L－乳酸。这一结果表明，应用氧化还原平衡工程应与代谢工程相结合的技术，可以有效构建L－乳酸高产酿酒酵母。

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