釀酒酵母回響乙醇脅迫的動態分子機制研究

《釀酒酵母回響乙醇脅迫的動態分子機制研究》是依託北京化工大學，由李灝擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：釀酒酵母回響乙醇脅迫的動態分子機制研究
• 依託單位：北京化工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李灝

項目摘要

在釀酒過程中，釀酒酵母經常受到高濃度乙醇的脅迫，導致乙醇轉化率和產量降低。在受到乙醇脅迫時，釀酒酵母細胞具有一套應激機制應對脅迫，但人們目前還缺乏對這種應激機制的系統了解。本項目將根據乙醇發酵過程中不同生長時期乙醇含量，設計乙醇濃度梯度，用以浸泡相應生長時期的釀酒酵母細胞。採用差異蛋白質組學技術和代謝組學技術，研究在發酵過程中兩個重要階段（指數生長期、穩定期），乙醇脅迫下釀酒酵母細胞蛋白質表達和代謝物組成、含量的動態變化情況，以期系統闡釋釀酒酵母對乙醇脅迫的應激反應在發酵過程中隨時間延長的變遷機制。這一應激機制的闡明將有助於人們更深刻的了解釀酒酵母發酵生產乙醇的代謝機理。同時，基於乙醇脅迫誘導的差異蛋白質以及差異代謝物，可使人們有針對性地尋找特定靶點進行改造，為構建更高產的乙醇發酵釀酒酵母菌株提供理論指導，進而有助於提高乙醇發酵轉化率及產量。

結題摘要

在釀酒過程中，釀酒酵母經常受到高濃度乙醇的脅迫，導致乙醇轉化率和產量降低。在受到乙醇脅迫時，釀酒酵母細胞具有一套應激機制應對脅迫，但人們目前還缺乏對這種應激機制的系統了解。本項目採用基於氣相色譜-質譜聯用的代謝組學技術，研究了釀酒酵母細胞代謝物組成、含量在不同發酵階段（遲緩期、指數生長期以及穩定期）的動態變化情況，系統闡釋了釀酒酵母對乙醇脅迫的應激反應在發酵過程中隨時間延長的變遷機制。這一應激機制的闡明將有助於人們更深刻的了解釀酒酵母發酵生產乙醇的代謝機理。同時，本項目利用透射電子顯微鏡探究了釀酒酵母細胞膜結構在乙醇脅迫下的變化，結果表明細胞膜是乙醇首要攻擊靶標，線粒體結構的裂解促進了細胞內活性氧自由基的累積，加重了細胞損傷。利用人工定向進化技術，本項目獲得了耐受乙醇的釀酒酵母突變株，藉助螢光定量PCR技術，本項目比較了原始菌株與兩株分別耐受5%和10%v/v乙醇的突變株在膜組分含量及其關鍵表達基因表達量上的差異，結果表明突變株通過重構細胞膜獲得了更高的乙醇耐受性。在此基礎上，本項目進一步利用螢光定量PCR技術研究了細胞膜組分及其關鍵表達基因在釀酒酵母發酵過程中的變化，結果表明在乙醇發酵過程中，釀酒酵母細胞可通過重構細胞膜使細胞更易變形，從而獲得更高的乙醇耐受性。此外，針對生物乙醇發酵中的雜菌污染問題，本項目也進行了研究。採用基於氣相色譜-質譜聯用的代謝組學技術，本項目研究了污染雜菌植物乳桿菌對釀酒酵母細胞代謝的影響，結果表明，植物乳桿菌除可通過分泌乳酸以及與釀酒酵母細胞競爭營養物和生存空間外，還可調控釀酒酵母細胞糖代謝，從而抑制釀酒酵母細胞生長。基於螢光定量PCR技術的結果表明，植物乳桿菌污染可影響參與釀酒酵母細胞中碳水化合物相關代謝的多數關鍵基因的表達；植物乳桿菌可抑制釀酒酵母細胞中糖酵解途徑，但可促進三羧酸循環、乙醛酸循環、磷酸戊糖途徑以及甘油合成，使得釀酒酵母細胞中碳物質從發酵過程被更多分配至呼吸過程。為消除污染的植物乳桿菌對釀酒酵母發酵的影響，本項目利用殼聚糖包裹植物乳桿菌噬菌體並添加至乙醇發酵體系中，有效抑制了植物乳桿菌的污染。上述結果可使人們更深刻理解釀酒酵母回響及耐受乙醇脅迫的機制，並有助於人們更深刻理解乙醇發酵過程中的菌群關係，從而為構建更高產的乙醇發酵釀酒酵母菌株提供理論指導，進而有助於提高乙醇發酵轉化率及產量。