低甘油合成、高酒精耐性的工业酿酒酵母菌株及其应用.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201110293244.X

申请日:

20110929

公开号:

CN102329743A

公开日:

20120125

当前法律状态:

有效性:

失效

法律详情:

IPC分类号:

C12N1/19,C12P7/06,C12N15/81,C12N15/01,C12R1/865,C12R1/465

主分类号:

C12N1/19,C12P7/06,C12N15/81,C12N15/01,C12R1/865,C12R1/465

申请人:

浙江大学

发明人:

吴雪昌,王品美,郑道琼,陶香林,刘天喆

地址:

310027 浙江省杭州市西湖区浙大路38号

优先权:

CN201110293244A

专利代理机构:

杭州天正专利事务所有限公司

代理人:

黄美娟;冷红梅

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内容摘要

本发明提供了一株低甘油合成、高酒精耐性的工业酿酒酵母菌株——酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)FG1,保藏于中国典型培养物保藏中心,地址:中国,武汉,武汉大学,430072,保藏编号:CCTCC No:M2011274,保藏日期:2011年8月1日。本发明提供了一株具有副产物低、高酒精耐性的优良工业酿酒酵母工程菌株及其应用,以及一种改良工业菌株多种生产性能的方法——基因代谢工程与全基因组重排联用;运用此方法可改良酿酒酵母菌株的糖醇转化率、耐性、发酵速率等多种生产性能,改良菌株可用于工业浓醪酒精发酵生产,减少能耗,降低生产成本;此方法也可用于其它工业微生物性能的改良。

权利要求书

1.一株低甘油合成、高酒精耐性的工业酿酒酵母菌株——酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)FG1,保藏于中国典型培养物保藏中心,地址:中国,武汉,武汉大学,430072,保藏编号:CCTCC No:M2011274,保藏日期:2011年8月1日。 2.权利要求2所述酿酒酵母CCTCC No:M 2011274在微生物工业浓醪发酵生产酒精中的应用。 3.如权利要求3所述的应用,其特征在于所述应用为:将酿酒酵母CCTCC No:M 2011274接种至玉米糖化醪发酵液,30~35℃发酵60~80h,发酵结束后发酵液经分离纯化获得酒精。 4.如权利要求4所述的应用,其特征在于所述玉米糖化醪发酵液按如下方法制得:取玉米粉,加2~3倍质量水调浆,搅拌加热至50~70℃,加入耐高温α-淀粉酶10U~30U/g玉米粉,混匀后加热至80~90℃进行糊化液化,100~110℃保温0.5~2h;糊化醪冷却至50~70℃,加入糖化酶100U~300U/g玉米粉,55~60℃糖化0.5~1.0h,即得所述玉米糖化醪发酵液。 5.一种集成基因代谢工程和全基因组重排构建工业酿酒酵母工程菌的方法,所述方法包括:(1)诱导酿酒酵母菌株产孢,分离纯化单倍体菌株,鉴定单倍体菌株交配型,选取交配型a的单倍体菌株Y1和交配型α的单倍体菌株Y2作为出发菌株;(2)然后分别敲除菌株Y1和菌株Y2的编码甘油转运蛋白的基因FPS1,并在FPS1位点整合表达变链球菌(Streptococcus mutans)的3-磷酸甘油醛脱氢酶(GAPN),对单倍体Y1和Y2分别采用G418和Zeo抗性标记筛选,获得单倍体基因工程菌株:G418抗性菌株YFG1和Zeo抗性菌株YFG2;(3)分别使用紫外和EMS对菌株YFG1和菌株YFG2进行诱变,获得四个突变库:YFG1紫外诱变库、YFG1EMS诱变库、YFG2紫外诱变库和YFG2EMS诱变库;(4)以体积浓度8%的乙醇YPD平板筛选生长迅速的单菌落进行第一轮全基因组重排,用含300μg/mL G418和50μg/mL Zeocin的YPD平板筛选重排子,诱导重排子产孢破壁后,用体积浓度12%的乙醇YPD平板筛选生长迅速的单菌落进行第二轮全基因组重排,用含300μg/mLG418和50μg/mL Zeocin的YPD平板筛选重排子,通过模拟工业原料的浓醪发酵测试,获得低副产物合成、高糖醇转化率和高乙醇产量的工业酿酒酵母工程菌株。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一株低甘油合成、高酒精耐性的工业酿酒酵母菌株——酿 酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)FG1及其应用;以及一种集成基因代 谢工程和全基因组重排构建工业酿酒酵母工程菌的方法。

(二)背景技术

酒精浓醪发酵,简单来说就是发酵过程中的高浓度发酵,具体表现 在生产有以下特点:1、高酒份;2、高渗透压;3、高酵母数。就酒 精生产而言,不同原料、不同时期浓醪发酵的界限存在着明显的差别; 大概区分如下:淀粉质原料:酒精浓度在14~16%(V/V),糖蜜原料: 酒精浓度在10~12%(V/V)。

实现酒精浓醪发酵技术,可极大地提高设备利用率、减少工艺用水、 降低蒸煮蒸馏能耗和生产成本,对提高乙醇生产的效率与经济和社会效益 具有重要现实意义和应用价值。与常规酒精发酵相比,酿酒酵母在浓醪发 酵过程中,不仅面临着更加严峻的环境胁迫(高渗、高酒精胁迫等),还 会因甘油、乙酸等副产物生成的增多而降低葡萄糖乙醇转化率。因此,为 达到工业化生产对发酵速率、乙醇产量和糖醇转化率等技术指标的要求, 选育副产物合成低并具有高耐性的工业酿酒酵母菌株是突破浓醪发酵技 术瓶颈的关键所在。

甘油是酿酒酵母发酵生产乙醇过程中主要的副产物,约消耗4%~ 10%的总碳源,如这些碳源用于生成乙醇,全球每年无需增加成本即可增 产乙醇13亿升。目前,对酵母细胞甘油代谢途径已研究比较透彻,应用 基因代谢工程技术对甘油合成相关的基因及途径进行修饰和改造,可以有 效降低甘油的合成,但改造菌株在发酵过程中对高糖、高浓度乙醇等胁迫 因子耐受性下降,生长缓慢,进而引起发酵速率降低、发酵周期延长及乙 醇产量降低等不良现象。针对一个或少量基因调控、机制已知的性状,基 因代谢工程方法是较容易和直接的可行性理性策略,但对于涉及多个基因 及其调控网络的复杂性状(如发酵速率、耐受性等发酵性状),基因代谢 工程技术很难达到预期效果,甚至会引起菌株关键性能的退化衰变。目前, 已有研究应用基于全基因组水平的盲目育种技术——全基因组重排,有效 改良菌株的耐乙酸、耐高浓度乙醇等耐受性,但改造菌株的其他生产性能 如糖醇转化率提高并不显著,而且随着醪液可发酵性碳源的增加,副产物 合成也增加,极大限制了乙醇产量的提高。

综上所述,应用单一的育种手段虽然能够改良菌株某一方面的性状, 但很难获得性能全面的优良菌株,而且容易导致生产菌株关键性能的退化 衰变。要从根本上突破浓醪发酵技术瓶颈,获得性能全面的优良酿酒酵母 菌株,还是需要结合不同的工业微生物育种策略优势,实现优劣互补,集 成创新,更有效、快速地进行工业生产菌株的改良。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一株具有低副产物合成和高酒精耐性的工业酿 酒酵母工程菌株及其应用,以及一种集成基因代谢工程与全基因组重排技 术改良菌株多种生产性能的方法。

本发明采用的技术方案是:

一株低甘油合成、高酒精耐性的工业酿酒酵母菌株——酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae)FG1,保藏于中国典型培养物保藏中心,地 址:中国,武汉,武汉大学,430072,保藏编号:CCTCC No:M 2011274, 保藏日期:2011年8月1日。

本发明还涉及所述酿酒酵母CCTCC No:M 2011274在微生物工业 浓醪发酵生产酒精中的应用。

具体的,所述应用为:将酿酒酵母CCTCC No:M 2011274接种至 以双酶法配制的玉米糖化醪发酵液,30~35℃发酵60~80h,发酵结束后发 酵液经分离纯化获得酒精。

具体的,所述玉米糖化醪发酵液可按常规双酶法配制,本发明中具体 如下:取玉米粉,加2~3倍质量的水调浆,搅拌加热至50~70℃,加入耐 高温α-淀粉酶10U~30U/g玉米粉,混匀后加热至80~90℃进行糊化液化, 100~110℃保温0.5~2h;糊化醪冷却至50~70℃,加入糖化酶100U~300U/g 玉米粉,55~60℃糖化0.5~1.0h,即得所述玉米糖化醪发酵液。

本发明还涉及一种集成基因代谢工程和全基因组重排构建工业酿酒 酵母工程菌的方法,所述方法包括:

(1)诱导酿酒酵母菌株产孢,分离纯化单倍体菌株,鉴定单倍体菌 株交配型,选取交配型a的单倍体菌株Y1和交配型α的单倍体菌株Y2 作为出发菌株;

(2)然后分别敲除菌株Y1和菌株Y2的编码甘油转运蛋白的基因 FPS1,并在FPS1位点整合表达变链球菌(Streptococcus mutans)的3- 磷酸甘油醛脱氢酶(GAPN),对单倍体Y1和Y2分别采用G418r和Zeor抗性标记筛选,获得单倍体基因工程菌株:G418r抗性菌株YFG1(MAT a,fps1Δ::PGKp-gapN)和Zeor抗性菌株YFG2(MATα,fps1Δ:: PGKp-gapN);

(3)分别使用紫外和EMS对菌株YFG1和菌株YFG2进行诱变, 获得四个突变库:YFG1紫外诱变库、YFG1 EMS诱变库、YFG2紫外诱 变库和YFG2 EMS诱变库;

(4)以体积浓度8%的乙醇YPD平板筛选生长迅速的单菌落进行第 一轮全基因组重排,用含300μg/mL G418和50μg/mL Zeocin的YPD平 板筛选重排子,诱导重排子产孢破壁后,用体积浓度12%的乙醇YPD 平板筛选生长迅速的单菌落进行第二轮全基因组重排,用含300μg/mL G418和50μg/mL Zeocin的YPD平板筛选重排子,通过模拟工业原料的 浓醪发酵测试,获得低副产物合成、高糖醇转化率和高乙醇产量的工业酿 酒酵母工程菌株。

所述甘油转运蛋白的氨基酸序列GenBank号NP 013057;所述变链 球菌(Streptococcus mutans)的3-磷酸甘油醛脱氢酶(GAPN)的氨基酸 序列的GenBank号为AAA91091。

所述甘油转运蛋白的编码基因GenBank号NM 001181863;所述变 链球菌(Streptococcus mutans)的3-磷酸甘油醛脱氢酶(GAPN)的编码 基因GenBank号为L38521。

本发明的有益效果主要体现在:本发明提供了一株具有副产物低、高 酒精耐性的优良工业酿酒酵母工程菌株及其应用,以及一种改良工业菌株 多种生产性能的方法——基因代谢工程与全基因组重排联用;运用此方法 可改良酿酒酵母菌株的糖醇转化率、耐性、发酵速率等多种生产性能,改 良菌株可用于工业浓醪酒精发酵生产,减少能耗,降低生产成本;此方法 也可用于其它工业微生物性能的改良。

(四)附图说明

图1为G418r抗性的敲除FPS1整合gapN盒示意图;

图2为Zeor抗性的敲除FPS1整合gapN盒示意图;

图3为全基因组重排流程图;其中,为G418r抗性的基因工程菌株 YFG1,为Zeor抗性的基因工程菌株YFG2;

图4为乙醇胁迫条件下菌株的生长曲线;(■,□)对照菌株Y12;(●,○)基 因工程菌株YFG12;(▲,△)基因工程重排子FG1;图中空心图标为0% (v/v)乙醇胁迫条件;实心图标为10%(v/v)乙醇胁迫条件;

图5为浓醪发酵性能测试;(*)出发菌株Z87;(□)对照菌株Y12;(○)基 因工程菌株YFG12;(▲)基因工程重排子FG1。A:残糖;B:乙醇。

(五)具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述,但本发明的保护范围 并不仅限于此:

实施例1:工业酿酒酵母甘油代谢工程菌株的获得

1、单倍体出发菌株的获得

将工业酿酒酵母Z87于30℃YPD活化后,转接入产孢培养基,在26℃ 培养3~7天。显微镜下观察其子囊孢子生成时收集菌体,生理盐水洗涤 2次后,加入700μL Tris-HCl(pH8.0,0.01mol/L)、200μL 100mg/mL蜗 牛酶溶液和100μL 0.1mol/L巯基乙醇,120r/min在30℃培养16h,使子囊 壁破裂释放孢子。58℃高温处理15min致死营养细胞,离心收集孢子, 稀释涂布于YPD平板,30℃培养2~3天,挑取单菌落,YPD斜面活化 后进行产孢验证,不能产孢者确定为单倍体菌株。

待测菌株及标准菌株BY4741(交配型α型)(ATCC 201388)、BY4742 (交配型a型)(ATCC 201389)分别接种于YPD液体培养基,30℃、 200r/min培养过夜,取待测菌株培养液分别与两种标准菌株培养液混合, 转接于新鲜YPD液体培养基中,30℃、100r/min培养,培养过程中镜检 观察是否有哑铃形细胞产生,48h后离心收集,稀释涂布产孢基本培养, 26℃培养3~7天,镜检观察有无子囊产生,如产生子囊孢子则认为杂交 成功,可确定该单倍体交配型:能与a型标准菌株BY4742杂交的菌株其 交配型为α;能与α型标准菌株BY4741杂交的菌株其交配型为a。选取 两株单倍体菌株Y1(交配型a型)和Y2(交配型α型)作为后续育种的 出发单倍体菌株,并将Y1和Y2杂交获得二倍体菌株Y12作为实验对照 菌株。

2、酿酒酵母甘油代谢工程菌株的构建

(1)利用醋酸锂转化法,将G418r抗性的敲除FPS1整合gapN盒(图 1)转化单倍体菌株Y1(交配型a型),用含300μg/mL G418的YPD平 板筛选得到工程单倍体菌株YFG1,基因型为(MAT a, fps1Δ::PGKp-gapN);

(2)利用醋酸锂转化法,将Zeor抗性的敲除FPS1整合gapN盒(图 2)转化单倍体菌株Y2(交配型α型),用含50μg/mL Zeocin的YPD平 板(pH7.0)筛选得到工程单倍体菌株YFG2,基因型为(MATα,fps1Δ:: PGKp-gapN);

(3)将YFG1和YFG2进行杂交,二者经液体YPD 30℃培养24h 后,混合培养于新鲜液体YPD培养2天后离心收集,稀释涂布于含 300μg/mL G418和50μg/mL Zeocin的YPD双抗平板(pH7.0),获得二倍 体基因工程菌株YFG12(MAT a/α,fps1Δ::PGKp-gapN,fps1Δ:: PGKp-gapN)。

其中,步骤(1)(2)中敲除FPS1整合gapN盒中的FPSA和FPSB 为同源整合区,克隆于酵母染色体DNA,FPSA为甘油转运蛋白编码基 因FPS1 ATG起始密码子上游-242到-51序列片段,FPSB为甘油转运蛋 白编码基因FPS1的1906到2124序列片段;在FPSA和FPSB之间插入 的PGK启动子(PGKp)和PGK终止子(PGKt)克隆于酵母染色体DNA, 在启动子和终止子之间插入克隆于变链球菌染色体DNA的3-磷酸甘油醛 脱氢酶编码基因gapN,并将gapN基因的起始密码子TTG改为ATG;

其中步骤(1)中敲除FPS1整合gapN盒中的G418抗性基因(G418r) 作为筛选标记,克隆于质粒pUG6(购于Invitrogen)。

其中步骤(2)中敲除FPS1整合gapN盒中的Zeocin抗性基因(Zeor) 作为筛选标记,克隆于质粒pPICZαA(购于Invitrogen)。

实施例2:对基因工程菌株实施全基因组重排

如图3所示流程实施全基因组重排,具体步骤如下:

1、1%(v/v)EMS诱变剂分别对基因工程单倍体菌株YFG1(MAT a, fps1Δ::PGKp-gapN)和YFG2(MAT α,fps1Δ::PGKp-gapN)处理30~120 min,每30min取样加入5%(w/v)硫代硫酸钠去除EMS污染,4000rpm 离心5min收集菌体,生理盐水洗涤两次,梯度稀释涂布含8%(v/v)乙 醇的YPD板,30℃培养3天,挑取生长旺盛的单菌落;

2、在距离为40cm,功率为15w的紫外灯下分别对基因工程单倍体 菌株YFG1(MAT a,fps1Δ::PGKp-gapN)和YFG2(MAT α,fps1Δ:: PGKp-gapN)进行紫外诱变,每隔1min取样稀释涂布含8%(v/v)乙醇 的YPD板平板,处理5min。处理过程所有操作必须在红灯下进行,防止 光修复,平板用黑色的布包好,置于30℃培养3天,挑取生长旺盛的单 菌落;

3、将步骤1和2获得的诱变菌株进行杂交全基因组重排,分别经液 体YPD 30℃活化24h后,混合培养于新鲜液体YPD培养2天后离心收 集,稀释涂布于含300μg/mL G418和50μg/mL Zeocin的YPD双抗平板 (pH7.0)30℃培养3天筛选单菌落即为重排子;

4、产孢培养基26℃培养步骤3挑取的重排子3~7天,生理盐水洗 涤菌体后,加入700μL Tris-HCl(pH8.0,0.01mol/L)、200μL 100mg/mL蜗 牛酶溶液和100μL 0.1mol/L巯基乙醇,120r/min在30℃培养16h,使子囊 壁破裂释放孢子,58℃高温处理15min致死营养细胞,离心收集孢子, 稀释涂布于含12%(v/v)乙醇的YPD板平板,30℃培养3天,挑取单菌 落后,重复步骤3进行第二轮重排;

5、将步骤4获得的重排子,进行浓醪发酵测试,双酶法配制玉米糖 化醪发酵液(约含葡萄糖250g/L),重排子由YPD 30℃培养15h后离心 收集,按接种后菌体OD600=1.0的量接种至装有260g玉米糖化醪发酵液 的锥形瓶,35℃发酵72h,采用多孔性阴离子树脂柱(Aminex HPX-87H column)经高效液相色谱测定醪液葡萄糖和乙醇含量,重排子FG1(即 CCTCC No:M 2011274)乙醇最高,产量达到117g/L,残糖低于5g/L。

实施例3:工程菌株生产性能测定

1、高浓度乙醇胁迫条件下的生长测定

分别用含0%和10%(v/v)乙醇YPD液体培养基30℃培养出发菌株 Z87、对照菌株Y12、基因工程菌株YFG12、基因工程重排子FG1,不同 时段取样测定菌株干重,计算菌株最大比生长速率。如图4所示,在含 0%乙醇的YPD培养条件下,四个菌株生长无显著差异,延滞期均为0.4h 左右;在含10%(v/v)乙醇的YPD培养条件下,四个菌株延滞期均延长 至10h左右,基因工程重排子FG1生长最快,最大比生长速率比Z87和 Y12提高11.4%,比YFG1提高21.9%(p<0.05)。

2、浓醪发酵性能测试

模拟工业原料对对照菌株Y12、基因工程菌株YFG12、基因工程重 排子FG1(即CCTCC No:M 2011274)进行浓醪发酵测试。双酶法配 制玉米糖化醪发酵液(约含葡萄糖250g/L):取玉米粉5kg,加10L水调 浆,搅拌加热至60℃,加耐高温α-淀粉酶(河南天冠企业集团有限公司) (20000U/mL)3.8mL,混匀后加热至90℃进行糊化液化,105℃保温1h; 糊化醪冷却至60℃,加糖化酶(河南天冠企业集团有限公司)(105U/mL) 11.3mL,55℃保温糖化1h后,分装260g至500mL锥形瓶。

菌株由YPD 30℃培养15h后离心收集,按接种后菌体OD600=1.0的 量接种至装有200mL玉米糖化醪滤液的锥形瓶,35℃发酵72h,采用多 孔性阴离子树脂柱(Aminex HPX-87H column)经高效液相色谱测定醪液 葡萄糖、乙醇、甘油和乙酸含量。基因工程重排子FG1发酵速率最快(图 5),发酵72h残糖低于5g/L,已完成发酵,YFG12发酵速率较慢,与其 具有较差的乙醇耐受力相一致。发酵结束72h时醪液中各成分含量见表1: 重排子FG1乙醇最高,分别比出发菌株Z87、对照菌株Y12和基因工程 菌株YFG12提高10.3%、7.9%和11.1%,糖醇转化率比Z87和Y12提高 3.3%,与YFG12无显著差异;重排子FG1和YFG12的葡萄糖甘油转化 率比出发菌株Z87降低14.7%,比对照菌株Y12降低15.5%,葡萄糖乙酸 转化率比出发菌株Z87降低24.3%,比对照菌株Y12降低24.6%。可见, 在浓醪发酵条件下,基因工程重排子FG1具有甘油、乙酸副产物合成低, 发酵速率快,糖醇转化率高,乙醇产量高多种优良生产性能。

表1:菌株发酵性能测定

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1、(10)申请公布号 CN 102329743 A (43)申请公布日 2012.01.25 CN 102329743 A *CN102329743A* (21)申请号 201110293244.X (22)申请日 2011.09.29 CCTCC No : M 2011274 2011.08.01 C12N 1/19(2006.01) C12P 7/06(2006.01) C12N 15/81(2006.01) C12N 15/01(2006.01) C12R 1/865(2006.01) C12R 1/465(2006.01) (71)申请人 浙江大学 地址 310027 浙江省杭州市西湖区。

2、浙大路 38 号 (72)发明人 吴雪昌 王品美 郑道琼 陶香林 刘天喆 (74)专利代理机构 杭州天正专利事务所有限公 司 33201 代理人 黄美娟 冷红梅 (54) 发明名称 低甘油合成、 高酒精耐性的工业酿酒酵母菌 株及其应用 (57) 摘要 本 发 明 提 供 了 一 株 低 甘 油 合 成、 高 酒 精耐性的工业酿酒酵母菌株酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae)FG1, 保藏于中国典 型培养物保藏中心, 地址 : 中国, 武汉, 武汉大学, 430072, 保藏编号 : CCTCC No : M2011274, 保藏日 期 : 2011 年 8 月 1 日。。

3、本发明提供了一株具有副 产物低、 高酒精耐性的优良工业酿酒酵母工程菌 株及其应用, 以及一种改良工业菌株多种生产性 能的方法基因代谢工程与全基因组重排联 用 ; 运用此方法可改良酿酒酵母菌株的糖醇转化 率、 耐性、 发酵速率等多种生产性能, 改良菌株可 用于工业浓醪酒精发酵生产, 减少能耗, 降低生产 成本 ; 此方法也可用于其它工业微生物性能的改 良。 (83)生物保藏信息 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 2 页 CN 102329753 A1/1 页 2 1. 一株低甘油合成、 高酒精耐性的工业酿。

4、酒酵母菌株酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae)FG1, 保藏于中国典型培养物保藏中心, 地址 : 中国, 武汉, 武汉大学, 430072, 保 藏编号 : CCTCC No : M2011274, 保藏日期 : 2011 年 8 月 1 日。 2. 权利要求 2 所述酿酒酵母 CCTCC No : M 2011274 在微生物工业浓醪发酵生产酒精中 的应用。 3. 如权利要求 3 所述的应用, 其特征在于所述应用为 : 将酿酒酵母 CCTCC No : M 2011274 接种至玉米糖化醪发酵液, 30 35发酵 60 80h, 发酵结束后发酵液经分离纯 化获得酒精。

5、。 4. 如权利要求 4 所述的应用, 其特征在于所述玉米糖化醪发酵液按如下方法制得 : 取 玉米粉, 加23倍质量水调浆, 搅拌加热至5070, 加入耐高温-淀粉酶10U30U/ g 玉米粉, 混匀后加热至 80 90进行糊化液化, 100 110保温 0.5 2h ; 糊化醪冷却 至 50 70, 加入糖化酶 100U 300U/g 玉米粉, 55 60糖化 0.5 1.0h, 即得所述玉 米糖化醪发酵液。 5. 一种集成基因代谢工程和全基因组重排构建工业酿酒酵母工程菌的方法, 所述方法 包括 : (1) 诱导酿酒酵母菌株产孢, 分离纯化单倍体菌株, 鉴定单倍体菌株交配型, 选取交配 型 。

6、a 的单倍体菌株 Y1 和交配型 的单倍体菌株 Y2 作为出发菌株 ; (2) 然后分别敲除菌株 Y1 和菌株 Y2 的编码甘油转运蛋白的基因 FPS1, 并在 FPS1 位点 整合表达变链球菌 (Streptococcus mutans) 的 3- 磷酸甘油醛脱氢酶 (GAPN), 对单倍体 Y1 和Y2分别采用G418r和Zeor抗性标记筛选, 获得单倍体基因工程菌株 : G418r抗性菌株YFG1 和 Zeor抗性菌株 YFG2 ; (3) 分别使用紫外和 EMS 对菌株 YFG1 和菌株 YFG2 进行诱变, 获得四个突变库 : YFG1 紫 外诱变库、 YFG1EMS 诱变库、 YF。

7、G2 紫外诱变库和 YFG2EMS 诱变库 ; (4)以体积浓度8的乙醇YPD平板筛选生长迅速的单菌落进行第一轮全基因组重排, 用含 300g/mL G418 和 50g/mL Zeocin 的 YPD 平板筛选重排子, 诱导重排子产孢破壁 后, 用体积浓度 12的乙醇 YPD 平板筛选生长迅速的单菌落进行第二轮全基因组重排, 用 含 300g/mLG418 和 50g/mL Zeocin 的 YPD 平板筛选重排子, 通过模拟工业原料的浓醪 发酵测试, 获得低副产物合成、 高糖醇转化率和高乙醇产量的工业酿酒酵母工程菌株。 权 利 要 求 书 CN 102329743 A CN 1023297。

8、53 A1/6 页 3 低甘油合成、 高酒精耐性的工业酿酒酵母菌株及其应用 ( 一 ) 技术领域 0001 本发明涉及一株低甘油合成、 高酒精耐性的工业酿酒酵母菌株酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae)FG1 及其应用 ; 以及一种集成基因代谢工程和全基因组重排 构建工业酿酒酵母工程菌的方法。 ( 二 ) 背景技术 0002 酒精浓醪发酵, 简单来说就是发酵过程中的高浓度发酵, 具体表现在生产有以下 特点 : 1、 高酒份 ; 2、 高渗透压 ; 3、 高酵母数。就酒精生产而言, 不同原料、 不同时期浓醪发酵 的界限存在着明显的差别 ; 大概区分如下 : 淀粉质原料 :。

9、 酒精浓度在 14 16 (V/V), 糖蜜 原料 : 酒精浓度在 10 12 (V/V)。 0003 实现酒精浓醪发酵技术, 可极大地提高设备利用率、 减少工艺用水、 降低蒸煮蒸馏 能耗和生产成本, 对提高乙醇生产的效率与经济和社会效益具有重要现实意义和应用价 值。与常规酒精发酵相比, 酿酒酵母在浓醪发酵过程中, 不仅面临着更加严峻的环境胁迫 ( 高渗、 高酒精胁迫等 ), 还会因甘油、 乙酸等副产物生成的增多而降低葡萄糖乙醇转化率。 因此, 为达到工业化生产对发酵速率、 乙醇产量和糖醇转化率等技术指标的要求, 选育副产 物合成低并具有高耐性的工业酿酒酵母菌株是突破浓醪发酵技术瓶颈的关键所在。

10、。 0004 甘油是酿酒酵母发酵生产乙醇过程中主要的副产物, 约消耗 4 10的总碳 源, 如这些碳源用于生成乙醇, 全球每年无需增加成本即可增产乙醇 13 亿升。目前, 对酵母 细胞甘油代谢途径已研究比较透彻, 应用基因代谢工程技术对甘油合成相关的基因及途径 进行修饰和改造, 可以有效降低甘油的合成, 但改造菌株在发酵过程中对高糖、 高浓度乙醇 等胁迫因子耐受性下降, 生长缓慢, 进而引起发酵速率降低、 发酵周期延长及乙醇产量降低 等不良现象。针对一个或少量基因调控、 机制已知的性状, 基因代谢工程方法是较容易和 直接的可行性理性策略, 但对于涉及多个基因及其调控网络的复杂性状 ( 如发酵速。

11、率、 耐 受性等发酵性状 ), 基因代谢工程技术很难达到预期效果, 甚至会引起菌株关键性能的退化 衰变。 目前, 已有研究应用基于全基因组水平的盲目育种技术全基因组重排, 有效改良 菌株的耐乙酸、 耐高浓度乙醇等耐受性, 但改造菌株的其他生产性能如糖醇转化率提高并 不显著, 而且随着醪液可发酵性碳源的增加, 副产物合成也增加, 极大限制了乙醇产量的提 高。 0005 综上所述, 应用单一的育种手段虽然能够改良菌株某一方面的性状, 但很难获得 性能全面的优良菌株, 而且容易导致生产菌株关键性能的退化衰变。要从根本上突破浓醪 发酵技术瓶颈, 获得性能全面的优良酿酒酵母菌株, 还是需要结合不同的工业。

12、微生物育种 策略优势, 实现优劣互补, 集成创新, 更有效、 快速地进行工业生产菌株的改良。 ( 三 ) 发明内容 0006 本发明的目的是提供一株具有低副产物合成和高酒精耐性的工业酿酒酵母工程 菌株及其应用, 以及一种集成基因代谢工程与全基因组重排技术改良菌株多种生产性能的 说 明 书 CN 102329743 A CN 102329753 A2/6 页 4 方法。 0007 本发明采用的技术方案是 : 0008 一株低甘油合成、 高酒精耐性的工业酿酒酵母菌株酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae)FG1, 保藏于中国典型培养物保藏中心, 地址 : 中国, 武汉, 武汉。

13、大学, 430072, 保 藏编号 : CCTCC No : M 2011274, 保藏日期 : 2011 年 8 月 1 日。 0009 本发明还涉及所述酿酒酵母 CCTCC No : M 2011274 在微生物工业浓醪发酵生产酒 精中的应用。 0010 具体的, 所述应用为 : 将酿酒酵母 CCTCC No : M 2011274 接种至以双酶法配制的玉 米糖化醪发酵液, 30 35发酵 60 80h, 发酵结束后发酵液经分离纯化获得酒精。 0011 具体的, 所述玉米糖化醪发酵液可按常规双酶法配制, 本发明中具体如下 : 取玉米 粉, 加 2 3 倍质量的水调浆, 搅拌加热至 50 7。

14、0, 加入耐高温 - 淀粉酶 10U 30U/ g 玉米粉, 混匀后加热至 80 90进行糊化液化, 100 110保温 0.5 2h ; 糊化醪冷却 至 50 70, 加入糖化酶 100U 300U/g 玉米粉, 55 60糖化 0.5 1.0h, 即得所述玉 米糖化醪发酵液。 0012 本发明还涉及一种集成基因代谢工程和全基因组重排构建工业酿酒酵母工程菌 的方法, 所述方法包括 : 0013 (1) 诱导酿酒酵母菌株产孢, 分离纯化单倍体菌株, 鉴定单倍体菌株交配型, 选取 交配型 a 的单倍体菌株 Y1 和交配型 的单倍体菌株 Y2 作为出发菌株 ; 0014 (2) 然后分别敲除菌株 。

15、Y1 和菌株 Y2 的编码甘油转运蛋白的基因 FPS1, 并在 FPS1 位点整合表达变链球菌 (Streptococcus mutans) 的 3- 磷酸甘油醛脱氢酶 (GAPN), 对单倍 体 Y1 和 Y2 分别采用 G418r和 Zeor抗性标记筛选, 获得单倍体基因工程菌株 : G418r抗性菌 株 YFG1(MATa, fps1:PGKp-gapN) 和 Zeor抗性菌株 YFG2(MAT, fps1:PGKp-gapN) ; 0015 (3) 分别使用紫外和 EMS 对菌株 YFG1 和菌株 YFG2 进行诱变, 获得四个突变库 : YFG1 紫外诱变库、 YFG1 EMS 诱变。

16、库、 YFG2 紫外诱变库和 YFG2 EMS 诱变库 ; 0016 (4) 以体积浓度 8的乙醇 YPD 平板筛选生长迅速的单菌落进行第一轮全基因组 重排, 用含300g/mL G418和50g/mL Zeocin的YPD平板筛选重排子, 诱导重排子产孢破 壁后, 用体积浓度 12的乙醇 YPD 平板筛选生长迅速的单菌落进行第二轮全基因组重排, 用含 300g/mLG418 和 50g/mL Zeocin 的 YPD 平板筛选重排子, 通过模拟工业原料的浓 醪发酵测试, 获得低副产物合成、 高糖醇转化率和高乙醇产量的工业酿酒酵母工程菌株。 0017 所 述 甘 油 转 运 蛋 白 的 氨 基。

17、 酸 序 列 GenBank 号 NP 013057 ; 所 述 变 链 球 菌 (Streptococcus mutans) 的 3- 磷酸甘油醛脱氢酶 (GAPN) 的氨基酸序列的 GenBank 号为 AAA91091。 0018 所述甘油转运蛋白的编码基因 GenBank 号 NM 001181863 ; 所述变链球菌 (Streptococcus mutans) 的 3- 磷酸甘油醛脱氢酶 (GAPN) 的编码基因 GenBank 号为 L38521。 0019 本发明的有益效果主要体现在 : 本发明提供了一株具有副产物低、 高酒精耐性的 优良工业酿酒酵母工程菌株及其应用, 以及一种。

18、改良工业菌株多种生产性能的方法基 因代谢工程与全基因组重排联用 ; 运用此方法可改良酿酒酵母菌株的糖醇转化率、 耐性、 发酵速率等多种生产性能, 改良菌株可用于工业浓醪酒精发酵生产, 减少能耗, 降低生产成 说 明 书 CN 102329743 A CN 102329753 A3/6 页 5 本 ; 此方法也可用于其它工业微生物性能的改良。 ( 四 ) 附图说明 0020 图 1 为 G418r抗性的敲除 FPS1 整合 gapN 盒示意图 ; 0021 图 2 为 Zeor抗性的敲除 FPS1 整合 gapN 盒示意图 ; 0022 图 3 为全基因组重排流程图 ; 其中, 为 G418r抗。

19、性的基因工程菌株 YFG1, 为 Zeor抗性的基因工程菌株 YFG2 ; 0023 图 4 为乙醇胁迫条件下菌株的生长曲线 ; ( , ) 对照菌株 Y12 ; ( , ) 基因 工程菌株YFG12 ; (, )基因工程重排子FG1 ; 图中空心图标为0(v/v)乙醇胁迫条件 ; 实心图标为 10 (v/v) 乙醇胁迫条件 ; 0024 图 5 为浓醪发酵性能测试 ; (*) 出发菌株 Z87 ; ( ) 对照菌株 Y12 ; ( ) 基因工 程菌株 YFG12 ; ( ) 基因工程重排子 FG1。A : 残糖 ; B : 乙醇。 ( 五 ) 具体实施方式 0025 下面结合具体实施例对本发。

20、明进行进一步描述, 但本发明的保护范围并不仅限于 此 : 0026 实施例 1 : 工业酿酒酵母甘油代谢工程菌株的获得 0027 1、 单倍体出发菌株的获得 0028 将工业酿酒酵母 Z87 于 30 YPD 活化后, 转接入产孢培养基, 在 26培养 3 7 天。显微镜下观察其子囊孢子生成时收集菌体, 生理盐水洗涤 2 次后, 加入 700L Tris-HCl(pH8.0, 0.01mol/L)、 200L 100mg/mL 蜗牛酶溶液和 100L 0.1mol/L 巯基乙 醇, 120r/min 在 30培养 16h, 使子囊壁破裂释放孢子。58高温处理 15min 致死营养细 胞, 离心。

21、收集孢子, 稀释涂布于 YPD 平板, 30培养 2 3 天, 挑取单菌落, YPD 斜面活化后 进行产孢验证, 不能产孢者确定为单倍体菌株。 0029 待测菌株及标准菌株BY4741(交配型型)(ATCC 201388)、 BY4742(交配型a型) (ATCC 201389) 分别接种于 YPD 液体培养基, 30、 200r/min 培养过夜, 取待测菌株培养液 分别与两种标准菌株培养液混合, 转接于新鲜 YPD 液体培养基中, 30、 100r/min 培养, 培 养过程中镜检观察是否有哑铃形细胞产生, 48h 后离心收集, 稀释涂布产孢基本培养, 26 培养 3 7 天, 镜检观察有。

22、无子囊产生, 如产生子囊孢子则认为杂交成功, 可确定该单倍体 交配型 : 能与 a 型标准菌株 BY4742 杂交的菌株其交配型为 ; 能与 型标准菌株 BY4741 杂交的菌株其交配型为 a。选取两株单倍体菌株 Y1( 交配型 a 型 ) 和 Y2( 交配型 型 ) 作 为后续育种的出发单倍体菌株, 并将 Y1 和 Y2 杂交获得二倍体菌株 Y12 作为实验对照菌株。 0030 2、 酿酒酵母甘油代谢工程菌株的构建 0031 (1) 利用醋酸锂转化法, 将 G418r抗性的敲除 FPS1 整合 gapN 盒 ( 图 1) 转化单倍 体菌株Y1(交配型a型), 用含300g/mL G418的Y。

23、PD平板筛选得到工程单倍体菌株YFG1, 基因型为 (MAT a, fps1:PGKp-gapN) ; 0032 (2) 利用醋酸锂转化法, 将 Zeor抗性的敲除 FPS1 整合 gapN 盒 ( 图 2) 转化单倍体 菌株 Y2( 交配型 型 ), 用含 50g/mL Zeocin 的 YPD 平板 (pH7.0) 筛选得到工程单倍体 菌株 YFG2, 基因型为 (MAT, fps1:PGKp-gapN) ; 说 明 书 CN 102329743 A CN 102329753 A4/6 页 6 0033 (3) 将 YFG1 和 YFG2 进行杂交, 二者经液体 YPD 30培养 24h 。

24、后, 混合培养于新 鲜液体 YPD 培养 2 天后离心收集, 稀释涂布于含 300g/mL G418 和 50g/mL Zeocin 的 YPD 双抗平板 (pH7.0), 获得二倍体基因工程菌株 YFG12(MAT a/, fps1:PGKp-gapN, fps1:PGKp-gapN)。 0034 其中, 步骤 (1)(2) 中敲除 FPS1 整合 gapN 盒中的 FPSA 和 FPSB 为同源整合区, 克 隆于酵母染色体DNA, FPSA为甘油转运蛋白编码基因FPS1 ATG起始密码子上游-242到-51 序列片段, FPSB 为甘油转运蛋白编码基因 FPS1 的 1906 到 2124。

25、 序列片段 ; 在 FPSA 和 FPSB 之间插入的 PGK 启动子 (PGKp) 和 PGK 终止子 (PGKt) 克隆于酵母染色体 DNA, 在启动子和 终止子之间插入克隆于变链球菌染色体 DNA 的 3- 磷酸甘油醛脱氢酶编码基因 gapN, 并将 gapN 基因的起始密码子 TTG 改为 ATG ; 0035 其中步骤 (1) 中敲除 FPS1 整合 gapN 盒中的 G418 抗性基因 (G418r) 作为筛选标 记, 克隆于质粒 pUG6( 购于 Invitrogen)。 0036 其中步骤 (2) 中敲除 FPS1 整合 gapN 盒中的 Zeocin 抗性基因 (Zeor) 。

26、作为筛选标 记, 克隆于质粒 pPICZA( 购于 Invitrogen)。 0037 实施例 2 : 对基因工程菌株实施全基因组重排 0038 如图 3 所示流程实施全基因组重排, 具体步骤如下 : 0039 1、 1 (v/v)EMS 诱 变 剂 分 别 对 基 因 工 程 单 倍 体 菌 株 YFG1(MAT a, fps1:PGKp-gapN) 和 YFG2(MAT , fps1:PGKp-gapN) 处理 30 120min, 每 30min 取 样加入 5 (w/v) 硫代硫酸钠去除 EMS 污染, 4000rpm 离心 5min 收集菌体, 生理盐水洗涤两 次, 梯度稀释涂布含 。

27、8 (v/v) 乙醇的 YPD 板, 30培养 3 天, 挑取生长旺盛的单菌落 ; 0040 2、 在距离为 40cm, 功率为 15w 的紫外灯下分别对基因工程单倍体菌株 YFG1(MAT a, fps1:PGKp-gapN) 和 YFG2(MAT , fps1:PGKp-gapN) 进行紫外诱变, 每隔 1min 取 样稀释涂布含 8 (v/v) 乙醇的 YPD 板平板, 处理 5min。处理过程所有操作必须在红灯下 进行, 防止光修复, 平板用黑色的布包好, 置于 30培养 3 天, 挑取生长旺盛的单菌落 ; 0041 3、 将步骤 1 和 2 获得的诱变菌株进行杂交全基因组重排, 分别。

28、经液体 YPD 30活 化 24h 后, 混合培养于新鲜液体 YPD 培养 2 天后离心收集, 稀释涂布于含 300g/mL G418 和 50g/mL Zeocin 的 YPD 双抗平板 (pH7.0)30培养 3 天筛选单菌落即为重排子 ; 0042 4、 产孢培养基 26培养步骤 3 挑取的重排子 3 7 天, 生理盐水洗涤菌体后, 加 入 700L Tris-HCl(pH8.0, 0.01mol/L)、 200L 100mg/mL 蜗牛酶溶液和 100L 0.1mol/ L 巯基乙醇, 120r/min 在 30培养 16h, 使子囊壁破裂释放孢子, 58高温处理 15min 致死 营。

29、养细胞, 离心收集孢子, 稀释涂布于含12(v/v)乙醇的YPD板平板, 30培养3天, 挑取 单菌落后, 重复步骤 3 进行第二轮重排 ; 0043 5、 将步骤4获得的重排子, 进行浓醪发酵测试, 双酶法配制玉米糖化醪发酵液(约 含葡萄糖 250g/L), 重排子由 YPD 30培养 15h 后离心收集, 按接种后菌体 OD600 1.0 的 量接种至装有 260g 玉米糖化醪发酵液的锥形瓶, 35发酵 72h, 采用多孔性阴离子树脂 柱 (Aminex HPX-87Hcolumn) 经高效液相色谱测定醪液葡萄糖和乙醇含量, 重排子 FG1( 即 CCTCC No : M 2011274)。

30、 乙醇最高, 产量达到 117g/L, 残糖低于 5g/L。 0044 实施例 3 : 工程菌株生产性能测定 0045 1、 高浓度乙醇胁迫条件下的生长测定 说 明 书 CN 102329743 A CN 102329753 A5/6 页 7 0046 分别用含 0和 10 (v/v) 乙醇 YPD 液体培养基 30培养出发菌株 Z87、 对照菌 株 Y12、 基因工程菌株 YFG12、 基因工程重排子 FG1, 不同时段取样测定菌株干重, 计算菌株 最大比生长速率。 如图4所示, 在含0乙醇的YPD培养条件下, 四个菌株生长无显著差异, 延滞期均为 0.4h 左右 ; 在含 10 (v/v)。

31、 乙醇的 YPD 培养条件下, 四个菌株延滞期均延长至 10h左右, 基因工程重排子FG1生长最快, 最大比生长速率比Z87和Y12提高11.4, 比YFG1 提高 21.9 (p 0.05)。 0047 2、 浓醪发酵性能测试 0048 模拟工业原料对对照菌株 Y12、 基因工程菌株 YFG12、 基因工程重排子 FG1( 即 CCTCC No : M 2011274) 进行浓醪发酵测试。双酶法配制玉米糖化醪发酵液 ( 约含葡萄糖 250g/L) : 取玉米粉 5kg, 加 10L 水调浆, 搅拌加热至 60, 加耐高温 - 淀粉酶 ( 河南天冠 企业集团有限公司 )(20000U/mL)3。

32、.8mL, 混匀后加热至 90进行糊化液化, 105保温 1h ; 糊化醪冷却至 60, 加糖化酶 ( 河南天冠企业集团有限公司 )(105U/mL)11.3mL, 55保温 糖化 1h 后, 分装 260g 至 500mL 锥形瓶。 0049 菌株由YPD 30培养15h后离心收集, 按接种后菌体OD6001.0的量接种至装有 200mL玉米糖化醪滤液的锥形瓶, 35发酵72h, 采用多孔性阴离子树脂柱(Aminex HPX-87H column) 经高效液相色谱测定醪液葡萄糖、 乙醇、 甘油和乙酸含量。基因工程重排子 FG1 发 酵速率最快(图5), 发酵72h残糖低于5g/L, 已完成发。

33、酵, YFG12发酵速率较慢, 与其具有较 差的乙醇耐受力相一致。发酵结束 72h 时醪液中各成分含量见表 1 : 重排子 FG1 乙醇最高, 分别比出发菌株Z87、 对照菌株Y12和基因工程菌株YFG12提高10.3、 7.9和11.1, 糖 醇转化率比 Z87 和 Y12 提高 3.3, 与 YFG12 无显著差异 ; 重排子 FG1 和 YFG12 的葡萄糖甘 油转化率比出发菌株 Z87 降低 14.7, 比对照菌株 Y12 降低 15.5, 葡萄糖乙酸转化率比 出发菌株 Z87 降低 24.3, 比对照菌株 Y12 降低 24.6。可见, 在浓醪发酵条件下, 基因工 程重排子 FG1 具有甘油、 乙酸副产物合成低, 发酵速率快, 糖醇转化率高, 乙醇产量高多种 优良生产性能。 0050 表 1 : 菌株发酵性能测定 0051 说 明 书 CN 102329743 A CN 102329753 A6/6 页 8 说 明 书 CN 102329743 A CN 102329753 A1/2 页 9 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102329743 A CN 102329753 A2/2 页 10 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102329743 A 。

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