【期刊】Crabtree效应改造提升细胞代谢途径能量效率

近日，北京化工大学刘子鹤教授团队，通过编辑两个转录调控因子Mth1和Med2，解析了缓解Crabtree效应的代谢机制并以此为基础显著提高了3-羟基丙酸（3-HP）的合成，相关研究成果以名为“Rewiring regulation on respire-fermentative metabolism relieved Crabtree effects in Saccharomyces cerevisiae”的研究论文在期刊Synthetic and Systems Biotechnology上发表。

酿酒酵母在高糖环境中主要通过发酵途径而非呼吸途径消耗葡萄糖，由于呼吸途径消耗葡萄糖合成ATP的效率远高于发酵途径，这种Crabtree效应带来的低能量效率和生物质产量限制了非乙醇化学品的合成。代谢途径工程可以将酿酒酵母直接将其改造为 Crabtree 阴性菌株，但改造后菌株生长缓慢且葡萄糖消耗率明显降低，难以满足工业生产需求。究其原因，可能是酵母严谨的代谢调控机制难以实现改造途径的最优化。因而本文通过转录因子改造进行全局性代谢途径优化，从而缓解Crabtree效应并实现细胞代谢途径能量效率的提升和产物产量的提高。

本研究主要关注两个转录调控因子基因MTH1和MED2，其中MTH1突变可以抑制几种己糖转运蛋白基因的转录，从而减少葡萄糖的转运；而MED2*^432Y 突变可以通过全局性的调控改善细胞生长。作者首先通过研究上述突变对细胞生长代谢的影响发现，MTH1^A81D 突变会导致较低的最大比生长速率和乙醇得率以及较高的生物量得率，MED2*^432Y 突变则会提高细胞生长速率和生物量得率并降低乙醇得率。在此基础上，通过对突变体的转录组分析以研究它们对细胞代谢的调节，发现其中涉及到糖酵解和糖异生的基因受到负调控而涉及电子传递链和血红素生物合成的基因受到了正调控。MTH1^A81D & MED2*^432Y 突变菌株在2%葡萄糖培养基中生长时，比生长速率为0.30 h^-1，乙醇得率较低，为0.10g g^-1，生物量得率较高，为0.21 g g^-1，说明该操作可改变发酵和呼吸途径之间的碳通量分布使其具有更高的能量效率。

图1. MTH1^A81D & MED2*^432Y突变菌株参与糖代谢相关基因转录水平变化

在此基础上本研究进一步考察了 Crabtree 缓解效应对3-HP合成的影响。该研究发现工程菌株可以合成2.04 g L^-1的3-HP，与野生型相比产量显著提高。3-HP 产量的提升可能得益于葡萄糖抑制作用的减轻从而导致线粒体乙酰辅酶 A 供应增加。因此，该突变体有望作为线粒体内合成乙酰辅酶A衍生化学品的平台菌株，该研究也为利用酵母线粒体生产乙酰辅酶A衍生化学品提供了更多可能。

图2. 有(B)/无(A)MTH1^A81D & MED2*^432Y突变菌株的生长、葡萄糖、乙醇和3-HP变化

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