摘要

本文研究了基于定向改造的釀酒酵母丙酮酸積累，通過基因敲除和發(fā)酵條件優(yōu)化，顯著提高了釀酒酵母中丙酮酸的積累量。實驗結果顯示，優(yōu)化后的釀酒酵母菌株丙酮酸積累量提高了168%，為丙酮酸的工業(yè)化生產提供了新的策略。

引言

丙酮酸是生物細胞內糖酵解途徑（EMP）中的關鍵中間產物，不僅在生物能量代謝中具有重要作用，而且是多種有用物質的前體，廣泛應用于化工、農藥、農用化學品及生物制藥等領域。目前，丙酮酸的生產主要依賴于微生物發(fā)酵，其中光滑球擬酵母（Torulopsis glabrata）是常用的生產菌株。然而，光滑球擬酵母是一種條件致病菌，存在潛在的安全威脅。相比之下，釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）作為一種的安全菌，在食品工業(yè)和酒精生產中有著廣泛應用，因此更適合作為丙酮酸的生產菌株。

釀酒酵母中的丙酮酸主要通過糖酵解途徑生成，并隨后進入乙醇發(fā)酵途徑被轉化為乙醇和二氧化碳。為了提高釀酒酵母中丙酮酸的積累量，需要阻斷乙醇生成途徑，使代謝流更多地流向丙酮酸。丙酮酸脫羧酶（PDC）是催化丙酮酸轉化為乙醛的關鍵酶，通過敲除PDC基因，可以阻斷乙醇生成途徑，從而提高丙酮酸的積累量。

本研究旨在通過定向改造釀酒酵母，敲除PDC基因，并通過發(fā)酵條件優(yōu)化，提高丙酮酸的積累量。這不僅有助于解決光滑球擬酵母的安全性問題，還能為丙酮酸的工業(yè)化生產提供新的策略。

材料與方法

1. 實驗材料

• 菌株：釀酒酵母Saccharomyces cerevisiae Y2

• 試劑：某試劑G418、某試劑醋酸鋰、某試劑PCR試劑、某試劑Southern blot試劑、某試劑葡萄糖、某試劑蛋白胨、某試劑酵母粉、某試劑KH2PO4、某試劑MgSO4·7H2O、某試劑醋酸鈉、某試劑玉米漿

• 儀器：威尼德電穿孔轉化儀、某品牌PCR儀、某品牌凝膠成像系統(tǒng)、某品牌搖床、某品牌發(fā)酵罐

2. 實驗方法

2.1 基因敲除

1. pdcl基因敲除：設計pdcl基因的敲除片段（P1K），通過電穿孔轉化法將敲除片段轉化到釀酒酵母S. cerevisiae Y2中，在含G418抗性的YEPD平板上篩選轉化子。通過PCR和Southern blot驗證得到pdcl基因的敲除菌株S. cerevisiae Y2-1。

2. pdc5基因敲除：設計pdc5基因的敲除片段（P5H），通過醋酸鋰轉化法將敲除片段轉化到S. cerevisiae Y2-1中，在YNBG平板上篩選轉化子。通過PCR和Southern blot驗證得到pdcl和pdc5基因都缺失的菌株S. cerevisiae Y2-15。

2.2 發(fā)酵條件優(yōu)化

1. 種子培養(yǎng)基：葡萄糖30g/L，蛋白胨10g/L，酵母粉5g/L，KH2PO4 1g/L，MgSO4·7H2O 0.5g/L，醋酸鈉2g/L，玉米漿0.5%，pH 5.6。

2. 發(fā)酵培養(yǎng)基：葡萄糖80g/L，蛋白胨20g/L，酵母粉10g/L，醋酸鈉2.5g/L，玉米漿1%，KH2PO4 1g/L，MgSO4·7H2O 0.5g/L，金屬離子母液5mL，pH 5.6。

3. 發(fā)酵條件：種齡26h，接種量12%，裝液量70mL/250mL三角瓶。

2.3 丙酮酸測定

采用高效液相色譜法測定發(fā)酵液中丙酮酸的濃度。

實驗結果

1. 基因敲除結果

通過PCR和Southern blot驗證，成功得到了pdcl基因敲除菌株S. cerevisiae Y2-1和pdcl、pdc5基因都缺失的菌株S. cerevisiae Y2-15。

2. 發(fā)酵條件優(yōu)化結果

優(yōu)化后的發(fā)酵條件下，S. cerevisiae Y2-15的丙酮酸積累量顯著提高。與優(yōu)化前相比，丙酮酸的積累量從9.25g/L提高到24.85g/L，提高了168%。

討論

1. 基因敲除對丙酮酸積累的影響

PDC基因是釀酒酵母中催化丙酮酸轉化為乙醛的關鍵酶基因。通過敲除PDC基因，阻斷了乙醇生成途徑，使代謝流更多地流向丙酮酸。本研究中，首先敲除了pdcl基因，得到S. cerevisiae Y2-1菌株，在此基礎上進一步敲除了pdc5基因，得到S. cerevisiae Y2-15菌株。實驗結果顯示，敲除兩個PDC基因后，丙酮酸的積累量顯著提高，說明基因敲除策略是有效的。

2. 發(fā)酵條件優(yōu)化對丙酮酸積累的影響

發(fā)酵條件對微生物代謝產物的積累具有重要影響。本研究通過優(yōu)化種子培養(yǎng)基、發(fā)酵培養(yǎng)基和發(fā)酵條件，顯著提高了S. cerevisiae Y2-15菌株的丙酮酸積累量。優(yōu)化后的種子培養(yǎng)基和發(fā)酵培養(yǎng)基提供了適宜的營養(yǎng)物質比例和濃度，有利于菌體的生長和代謝產物的積累。優(yōu)化后的發(fā)酵條件，如種齡、接種量和裝液量，有利于氧氣的傳遞和菌體的代謝活動，從而提高了丙酮酸的積累量。

3. 研究的創(chuàng)新與應用前景

本研究通過定向改造釀酒酵母，敲除PDC基因，并通過發(fā)酵條件優(yōu)化，顯著提高了丙酮酸的積累量。這種策略不僅解決了光滑球擬酵母的安全性問題，還為丙酮酸的工業(yè)化生產提供了新的思路。釀酒酵母作為一種的安全菌，在食品工業(yè)和酒精生產中有著廣泛應用，因此，改造后的釀酒酵母菌株具有廣闊的應用前景。此外，本研究中的基因敲除和發(fā)酵條件優(yōu)化策略也可以為其他微生物代謝產物的生產提供借鑒。

丙酮酸作為一種重要的有機酸，在化工、農藥、農用化學品及生物制藥等領域有著廣泛的應用。隨著生物技術的不斷發(fā)展，微生物發(fā)酵法生產丙酮酸將成為未來的主要趨勢。本研究通過定向改造釀酒酵母，提高了丙酮酸的積累量，為丙酮酸的工業(yè)化生產提供了新的策略，具有重要的理論和實踐意義。

結論

本研究通過定向改造釀酒酵母，敲除PDC基因，并通過發(fā)酵條件優(yōu)化，顯著提高了丙酮酸的積累量。實驗結果顯示，優(yōu)化后的釀酒酵母菌株丙酮酸積累量提高了168%。這種策略不僅解決了光滑球擬酵母的安全性問題，還為丙酮酸的工業(yè)化生產提供了新的思路。改造后的釀酒酵母菌株具有廣闊的應用前景，為丙酮酸的生產和應用提供了新的策略。本研究為其他微生物代謝產物的生產提供了借鑒，具有重要的理論和實踐意義。

通過上述研究，我們不僅提高了釀酒酵母中丙酮酸的積累量，還為丙酮酸的工業(yè)化生產提供了新的策略。未來，我們將繼續(xù)深入研究釀酒酵母的代謝調控機制，進一步優(yōu)化發(fā)酵條件，提高丙酮酸的產量和質量，為丙酮酸的應用提供更廣闊的空間。