能源需求的不断增长，传统化石燃料价格的不断上涨以及温室气体排放量的下降要求，是当前人类社会面临的重大问题。燃料乙醇具有辛烷值高、蒸汽压高、可与汽油混合使用等优点，其不仅可以代替汽油的使用，也可减轻因汽油燃烧所产生的环境污染，是优良的可再生燃料。木质纤维素原料内含的多聚糖成分可水解释放作为底物供诸如酿酒酵母等微生物发酵生产乙醇，相比于传统的糖类底物（如甘蔗、玉米淀粉），木质纤维素原料具有原料来源广泛，价格低廉，不与人争粮，发酵过程中更低的温室气体排放等优势。然而，木质纤维素原料需要经过稀酸浸泡、气曝、热处理等才能将其中的糖类物质释放出来供微生物发酵利用，原料经预处理产生的水解液中，含有多种对微生物生长有抑制作用的抑制物，主要包括弱酸（甲酸、乙酸），呋喃醛（糠醛、5-羟甲基糠醛），酚类复合物这三种物质以及无机盐类（NaCl、K2SO4等），其对宿主的生理功能产生多方面的影响。

近日天津大学元英进教授课题组发表文章，在酿酒酵母抗逆机制解析的道路上又前进了一步。研究人员利用实验室进化的手段获得了抗逆表型提高的菌株，依靠代谢组学技术手段，锁定了同抗性相关的脯氨酸合成基因和肌醇合成基因，推测酵母体内脯氨酸和肌醇含量同抗逆有关，进一步实验证实了该假说，为抗逆机制解析提供了新的靶点。

研究人员以实验室常用的BY4742作为出发菌株，通过在含有抑制物的培养基中传代培养，获得了相较于出发菌株耐受能力明显提高的抗逆菌株。为了解析抗逆机制，将4个不同时期的样本代谢产物测定汇总，获得了代谢组学数据。研究人员首先执行PLS判别分析（PLS-DA），发现抗逆菌株主要代谢产物类别同出发菌株具有明显的不同，暗示菌株通过调节自身代谢反应适应逆境。利用特征选择方法（mRMR），研究人员确定了同抗逆表型最相关的几大代谢物，分别是谷氨酸、柠檬酸、脯氨酸、肌醇等，锁定相关代谢物之后，又利用代谢途径分析的方法，将这些代谢物锚定到对应的代谢途径，发现丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸代谢途径，甘油酯代谢途径，精氨酸、脯氨酸代谢途径同抗逆表型的获得密切相关。

基本锁定了同抗逆表型相关的代谢产物和途径之后，研究人员进而对此进行了验证。谷氨酸、脯氨酸、精氨酸和鸟氨酸的含量都受脯氨酸代谢途径的影响，在植物里已知脯氨酸的积累对于抗逆有关。分析不同时期的酵母发现肌醇、甘氨酸和赖氨酸的含量也同抗逆息息相关，所以将此4个代谢物作为候选。首先敲除或者过表达甘氨酸、赖氨酸合成相关基因，发现对抗逆获得无影响，故排除这2个候选。当敲除肌醇和脯氨酸合成相关基因之后，发现菌株抗逆性能明显下降，在培养基外源添加这两种物质，发现对于菌株的抗逆均有帮助，过表达相关基因获得了同外源添加一致的结果，以上实验结果表明肌醇和脯氨酸的积累对于菌株的抗逆有着显著的贡献。

本研究提供了酿酒酵母抗逆机制解析的新视角，提供了菌株抗逆性能改造的新靶点，对以后类似工作有很好的借鉴意义。

江源，王心 摘译自：http://www.biotechnologyforbiofuels.com/content/pdf/s13068-015-0329-5.pdf

更多生物催化内容请关注微信公众服务号：生物催化剂设计与改造服务（STS-iDeep）