Phân Tích Đa Ôm Về Sản Xuất Cồn Béo Trong Men Được Kỹ Thuật Gen Saccharomyces cerevisiae Và Yarrowia lipolytica

Frontiers in Genetics - Tập 10
Jonathan Dahlin1, Carina Holkenbrink1, Eko Roy Marella1, Guokun Wang1, Ulf W. Liebal2, Christian Lieven1, Dieter Weber2, Douglas McCloskey1, Honglei Wang3, Birgitta E. Ebert2, Markus J. Herrgård1, Lars M. Blank2, Irina Borodina1
1The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Technical University of Denmark, Kongens Lyngby, Denmark
2iAMB, Institute of Applied Microbiology, ABBt, Aachen Biology and Biotechnology, RWTH Aachen University, Aachen, Germany
3Department of Biology, Lund University, Lund, Sweden

Tóm tắt

Cồn béo được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng thuộc một loạt các ngành công nghiệp, chẳng hạn như ngành xà phòng và chất tẩy rửa, ngành chăm sóc cá nhân và mỹ phẩm, cũng như ngành thực phẩm. Tổng sản lượng cồn béo toàn cầu hơn 2 triệu tấn với các phần bằng nhau được chiết xuất từ dầu thô và từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Do tác động đến môi trường của các phương pháp sản xuất này, có một mối quan tâm đến các phương pháp thay thế để sản xuất cồn béo qua sự lên men vi sinh vật bằng cách sử dụng nguyên liệu rẻ tiền có thể tái tạo. Trong nghiên cứu này, chúng tôi nhằm mục tiêu đạt được sự hiểu biết tốt hơn về cách sinh tổng hợp cồn béo ảnh hưởng đến sinh vật chủ, men nở Saccharomyces cerevisiae hoặc men dầu Yarrowia lipolytica. Các dòng sản xuất và không sản xuất được so sánh trong các giai đoạn phát triển và nuôi cấy thiếu nitơ. Phân tích đa ôm bao gồm đặc điểm sinh lý, phân tích transcriptome bằng RNAseq, phân tích dòng chuyển hóa 13C, và metabolomics nội bào. Cả hai loài đều tích lũy cồn béo trong điều kiện thiếu nitơ nhưng không trong quá trình phát triển. Dòng men Y. lipolytica sản xuất cồn béo có tỷ lệ sản xuất cồn béo cao hơn so với dòng S. cerevisiae tương đồng. Giai đoạn thiếu nitơ liên quan đến tốc độ hấp thụ glucose thấp hơn và giảm nồng độ acetyl–CoA nội bào ở cả hai loài men, cũng như tăng tỷ lệ bài tiết axit hữu cơ ở Y. lipolytica. Việc biểu hiện enzyme sản xuất cồn béo fatty acyl–CoA reductase đã làm giảm thiểu khuyết tật tăng trưởng do sự xóa bỏ gen mã hóa dehydrogenase hexadecenal (HFD1 và HFD4) ở Y. lipolytica. Phân tích RNAseq cho thấy sản xuất cồn béo kích hoạt phản ứng căng thẳng thành tế bào trong S. cerevisiae. Phân tích RNAseq cũng cho thấy cả sự thiếu nitơ và sản xuất cồn béo đều có tác động đáng kể đến biểu hiện của các gen mã hóa transporter trong Y. lipolytica. Tóm lại, thông qua nghiên cứu đa ôm này, chúng tôi đã phát hiện một số ảnh hưởng của sản xuất cồn béo đến chuyển hóa của sinh vật chủ. Kiến thức này có thể được sử dụng làm hướng dẫn cho việc cải thiện giống nhằm hướng tới sản xuất cồn béo.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Arkin, 2018, KBase: the United States department of energy systems biology knowledgebase, Nat. Biotechnol., 36, 566, 10.1038/nbt.4163

Arroyo, 2009, Genomics in the detection of damage in microbial systems: cell wall stress in yeast, Clin. Microbiol. Infect., 15, 44, 10.1111/j.1469-0691.2008.02676.x

Ashburner, 2000, Gene Ontology: tool for the unification of biology, Nat. Genet., 25, 25, 10.1038/75556

Blank, 2005, Metabolic-flux and network analysis in fourteen Hemiascomycetous yeasts, FEMS Yeast Res., 5, 545, 10.1016/j.femsyr.2004.09.008

Boer, 2003, The genome-wide transcriptional responses of Saccharomyces cerevisiae grown on glucose in aerobic chemostat cultures limited for carbon, nitrogen, phosphorus, or sulfur, J. Biol. Chem., 278, 3265, 10.1074/jbc.M209759200

Bolger, 2014, Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data, Bioinformatics, 30, 2114, 10.1093/bioinformatics/btu170

Boorsma, 2004, Characterization of the transcriptional response to cell wall stress in Saccharomyces cerevisiae, Yeast, 21, 413, 10.1002/yea.1109

BorodinaI. HolkenbrinkC. DamM. I. LöfstedtC. Geneva, SwitzerlandWorld Intellectual Property OrganizationMethods for producing fatty alcohols and derivatives thereof in yeast2018

Buijs, 2015, Long-chain alkane production by the yeast Saccharomyces cerevisiae, Biotechnol. Bioeng., 112, 1275, 10.1002/bit.25522

Cabib, 2007, Crh1p and Crh2p are required for the cross-linking of chitin to β(1-6)Glucan in the Saccharomyces cerevisiae cell wall, Mol. Microbiol., 63, 921, 10.1111/j.1365-2958.2006.05565.x

Christen, 2011, Intracellular characterization of aerobic glucose metabolism in seven yeast species by 13C flux analysis and metabolomics, FEMS Yeast Res., 11, 263, 10.1111/j.1567-1364.2010.00713.x

Coller, 2011, The essence of quiescence, Science, 334, 1074, 10.1126/science.1216242

Daugherty, 1993, Regulatory circuit for responses of nitrogen catabolic gene expression to the GLN3 and DAL80 proteins and nitrogen catabolite repression in Saccharomyces cerevisiae, J. Bacteriol., 175, 64, 10.1128/jb.175.1.64-73.1993

d’Espaux, 2017, Engineering high-level production of fatty alcohols by Saccharomyces cerevisiae from lignocellulosic feedstocks, Metab. Eng., 42, 115, 10.1016/j.ymben.2017.06.004

Entian, 2007, Yeast genetic strain and plasmid collections, Method Microbiol., 36, 629, 10.1016/S0580-9517(06)36025-4

Fillet, 2015, Fatty alcohols production by oleaginous yeast, J. Ind. Microbiol. Biotechnol., 42, 1463, 10.1007/s10295-015-1674-x

Gaillardin, 1973, A study of copulation, sporulation and meiotic segregation in Candida lipolytica, Arch. Mikrobiol., 92, 69, 10.1007/BF00409513

García, 2004, The global transcriptional response to transient cell wall damage in Saccharomyces cerevisiae and its regulation by the cell integrity signaling pathway, J. Biol. Chem., 279, 15183, 10.1074/jbc.M312954200

Fatty alcohols market by product (C6-C10, C11-C14, C15-C22), by application (soaps & detergents, personal care, lubricants, amines) expected to reach USD 7.51 billion by 20222016

Holkenbrink, 2018, EasyCloneYALI: CRISPR/Cas9-based synthetic toolbox for engineering of the yeast Yarrowia lipolytica, Biotechnol. J., 13, 10.1002/biot.201700543

Iwama, 2014, Fatty aldehyde dehydrogenase multigene family involved in the assimilation of N-alkanes in Yarrowia lipolytica, J. Biol. Chem., 289, 33275, 10.1074/jbc.M114.596890

Jessop-Fabre, 2016, EasyClone-MarkerFree: a vector toolkit for marker-less integration of genes into Saccharomyces cerevisiae via CRISPR-Cas9, Biotechnol. J., 11, 1110, 10.1002/biot.201600147

Kerkhoven, 2016, Regulation of amino-acid metabolism controls flux to lipid accumulation in Yarrowia lipolytica, NPJ Syst. Biol. Appl., 2, 10.1038/npjsba.2016.5

Kildegaard, 2016, Engineering and systems-level analysis of Saccharomyces cerevisiae for production of 3-hydroxypropionic acid via malonyl-CoA reductase-dependent pathway, Microb. Cell Fact., 15, 53, 10.1186/s12934-016-0451-5

Kim, 2015, HISAT: a fast spliced aligner with low memory requirements, Nat. Methods, 12, 357, 10.1038/nmeth.3317

Lagorce, 2003, Genome-wide analysis of the response to cell wall mutations in the yeast Saccharomyces cerevisiae, J. Biol. Chem., 278, 20345, 10.1074/jbc.M211604200

Liu, 2016, High production of fatty alcohols in Escherichia coli with fatty acid starvation, Microb. Cell Fact., 15, 129, 10.1186/s12934-016-0524-5

McCloskey, 2015, A PH and solvent optimized reverse-phase ion-pairing-LC–MS/MS method that leverages multiple scan-types for targeted absolute quantification of intracellular metabolites, Metabolomics, 11, 1338, 10.1007/s11306-015-0790-y

McCloskey, 2015, Fast Swinnex Filtration (FSF): a fast and robust sampling and extraction method suitable for metabolomics analysis of cultures grown in complex media, Metabolomics, 11, 198, 10.1007/s11306-014-0686-2

McNeil, 2018, Optimization of C16 and C18 fatty alcohol production by an engineered strain of Lipomyces starkeyi, J. Ind. Microbiol. Biotechnol., 45, 1, 10.1007/s10295-017-1985-1

Mi, 2017, PANTHER version 11: expanded annotation data from gene ontology and reactome pathways, and data analysis tool enhancements, Nucleic Acids Res., 45, D183, 10.1093/nar/gkw1138

Morin, 2011, Transcriptomic analyses during the transition from biomass production to lipid accumulation in the oleaginous yeast Yarrowia lipolytica, PLOS ONE, 6, 10.1371/journal.pone.0027966

Okonechnikov, 2016, Qualimap 2: advanced multi-sample quality control for high-throughput sequencing data, Bioinformatics, 32, 292, 10.1093/bioinformatics/btv566

Pertea, 2015, StringTie enables improved reconstruction of a transcriptome from RNA-seq reads, Nat. Biotechnol., 33, 290, 10.1038/nbt.3122

Pomraning, 2016, Multi-omics analysis reveals regulators of the response to nitrogen limitation in Yarrowia lipolytica, BMC Genomics, 17, 10.1186/s12864-016-2471-2

Poskar, 2012, IMS2Flux—a high-throughput processing tool for stable isotope labeled mass spectrometric data used for metabolic flux analysis, BMC Bioinformatics, 13, 10.1186/1471-2105-13-295

Qiao, 2015, Engineering lipid overproduction in the oleaginous yeast Yarrowia lipolytica, Metab. Eng., 29, 56, 10.1016/j.ymben.2015.02.005

Qiao, 2017, Lipid production in Yarrowia lipolytica is maximized by engineering cytosolic redox metabolism, Nat. Biotechnol., 35, 173, 10.1038/nbt.3763

Robinson, 2010, EdgeR: a bioconductor package for differential expression analysis of digital gene expression data, Bioinformatics, 26, 139, 10.1093/bioinformatics/btp616

Rodríguez-Peña, 2005, The ‘Yeast Cell Wall Chip’—a tool to analyse the regulation of cell wall biogenesis in Saccharomyces cerevisiae, Microbiology, 151, 2241, 10.1099/mic.0.27989-0

Schmitz, 2017, GC-MS-based determination of mass isotopomer distributions for 13c-based metabolic flux analysis, Hydrocarbon and Lipid Microbiology Protocols: Genetic, Genomic and System Analyses of Pure Cultures, 223

Shah, 2016, Comparison of oleo- vs petro-sourcing of fatty alcohols via cradle-to-gate life cycle assessment, J. Surfactants Deterg., 19, 1333, 10.1007/s11743-016-1867-y

Tai, 2013, Engineering the push and pull of lipid biosynthesis in oleaginous yeast Yarrowia lipolytica for biofuel production, Metab. Eng., 15, 1, 10.1016/j.ymben.2012.08.007

ter Schure, 2000, The role of ammonia metabolism in nitrogen catabolite repression in Saccharomyces cerevisiae, FEMS Microbiol. Rev., 24, 67, 10.1111/j.1574-6976.2000.tb00533.x

2017, Expansion of the gene ontology knowledgebase and resources, Nucleic Acids Res., 45, D331, 10.1093/nar/gkw1108

Thomas, 2003, PANTHER: a library of protein families and subfamilies indexed by function, Genome Res., 13, 2129, 10.1101/gr.772403

Van der Leij, 1992, Isolation of peroxisome assembly mutants from Saccharomyces cerevisiae with different morphologies using a novel positive selection procedure, J. Cell Biol., 119, 153, 10.1083/jcb.119.1.153

Wasylenko, 2015, Metabolomic and 13C-Metabolic flux analysis of a xylose-consuming Saccharomyces cerevisiae strain expressing xylose isomerase, Biotechnol. Bioeng., 112, 470, 10.1002/bit.25447

Wasylenko, 2015, The oxidative pentose phosphate pathway is the primary source of NADPH for lipid overproduction from glucose in Yarrowia lipolytica, Metab. Eng., 30, 27, 10.1016/j.ymben.2015.02.007

Xu, 2016, Engineering Yarrowia lipolytica as a platform for synthesis of drop-in transportation fuels and oleochemicals, Proc. Natl. Acad. Sci., 113, 10848, 10.1073/pnas.1607295113

Xu, 2017, Engineering oxidative stress defense pathways to build a robust lipid production platform in Yarrowia lipolytica, Biotechnol. Bioeng., 114, 1521, 10.1002/bit.26285

Young, 2014, INCA: a computational platform for isotopically non-stationary metabolic flux analysis, Bioinformatics, 30, 1333, 10.1093/bioinformatics/btu015

Zamboni, 2009, 13C-based metabolic flux analysis, Nat. Protoc., 4, 878, 10.1038/nprot.2009.58

Zhang, 2019, PH selectively regulates citric acid and lipid production in Yarrowia lipolytica w29 during nitrogen-limited growth on glucose, J. Biotechnol., 290, 10, 10.1016/j.jbiotec.2018.10.012

Thông tin
Thông tin xuất bản

Frontiers in Genetics

Tập 10

Thông tin tác giả