Транскрипційний фактор CAT8 залучений в регуляцію ферментації ксилози в рекомбінантному штамі Saccharomyces cerevisiae

  • L. S. Dzanaieva
  • K. V. Dmytruk
  • A. A. Sybirny
DOI: https://doi.org/10.7124/FEEO.v22.970

Анотація

Мета. Мета даної роботи полягає в конструюванні cat8Δ на основі ксилозоферментуючого штаму S. cerevisiae та аналізі алкогольної ферментації ксилози. Методи. Було сконструйовано касету для делеції гена CAT8, що містить маркерний ген natNT2, фланкований 5’ та 3’ некодуючими ділянками цільового гена. Штам cat8Δ було відібрано після трансформації сконструйованою касетою на середовищі з антибіотиком норзеотрицином. Алкогольну ферментацію проводили на мінеральному середовищі з додаванням ксилози за умов обмеженої аерації. Результати. Ксилозоферментуючий cat8Δ штам S. cerevisiae було сконструйовано за допомогою гомологічної рекомбінації делеційної CAT8 касети з цільовими послідовностями геному штаму GS010. У порівнянні з батьківськім штамом, cat8Δ характеризувався підвищеною продукцією етанолу, виходом етанолу, питомою продукцією та продуктивністю етанолу на 9,5; 6; 20 та 12 %, відповідно. Висновки. Було сконструйовано ксилозоферментуючий мутант S. cerevisiae з делецією гена CAT8, що кодує транскрипційний активатор. Штам cat8Δ характеризувався підвищеною на 9,5 % продукцією етанолу з ксилози у порівнянні з батьківським штамом.

Ключові слова: алкогольна ферментація, ксилоза, S. cerevisiae, Cat8.

Посилання

Ragauskas A.J., Williams C.K., Davison B.H., Britovsek G., Cairney J., Eckert C.A., Frederick W.J. Jr., Hallett J.P., Leak D.J., Liotta C.L., Mielenz J.R., Murphy R., Templer R., Tschaplinski T. The path forward for biofuels and biomaterials. Science. 2006. Vol. 311. P. 484–489. doi: 10.1126/science.1114736.

Hong K.K., Nielsen J. Metabolic engineering of Saccharomyces cerevisiae: a key cell factory platform for future biorefineries. Cell. Mol. Life Sci. 2012. Vol. 69. P. 2671–2690. doi: 10.1007/s00018-012-0945-1.

Jansen M.L.A., Bracher J.M., Papapetridis I., Verhoeven M.D., de Bruijn H., de Waal P.P., van Maris A.J.A., Klaassen P., Pronk J.T. Saccharomyces cerevisiae strains for second-generation ethanol production: from academic exploration to industrial implementation. FEMS Yeast Res. 2017. Vol. 17 (5). doi: 10.1093/femsyr/fox044.

Moysés D.N., Reis V.C., de Almeida J.R., de Moraes L.M., Torres F.A. Xylose fermentation by Saccharomyces cerevisiae: challenges and prospects. Int. J. Mol. Sci. 2016. Vol. 17 (3). P. 207. doi: 10.3390/ijms17030207.

Matsushika A., Goshima T., Fujii T., Inoue H., Sawayama S., Yano S. Characterization of nonoxidative transaldolase and transketolase enzymes in the pentose phosphate pathway with regard to xylose utilization by recombinant Saccharomyces cerevisiae. Enzyme. Microb. Technol. 2012. Vol. 51. P. 16–25. doi: 10.1016/j.enzmictec.2012.03.008.

Xu H., Kim S., Sorek H., Lee Y., Jeong D., Kim J., Oh E.J., Yun E.J., Wemmer D.E., Kim K.H., Kim S.R., Jin Y.S. PHO13 deletioninduced transcriptional activation prevents sedoheptulose accumulation during xylose metabolism in engineered Saccharomyces cerevisiae. Metab. Eng. 2016. Vol. 34. P. 88–96. doi: 10.1016/j.ymben.2015.12.007.

Karhumaa K., HahnHägerdal B., GorwaGrauslund M.F. Investigation of limiting metabolic steps in the utilization of xylose by recombinant Saccharomyces cerevisiae using metabolic engineering. Yeast. 2005. Vol. 22. P. 359–368. doi: 10.1002/yea.1216.

Van Vleet J.H., Jeffries T.W., Olsson L. Deleting the paranitrophenyl phosphatase (pNPPase), PHO13, in recombinant Saccharomyces cerevisiae improves growth and ethanol production on D-xylose. Metab. Eng. 2008. Vol. 10. P. 360–369. doi: 10.1016/j.ymben.2007.12.002.

Bamba T., Hasunuma T., Kondo A. Disruption of PHO13 improves ethanol production via the xylose isomerase pathway. Amb. Express. 2016. Vol. 6. P. 4. doi: 10.1186/s13568-015-0175-7.

Kim S.R., Skerker J.M., Kang W., Lesmana A., Wei N., Arkin A.P., Jin Y.S. Rational and evolutionary engineering approaches uncover a small set of genetic changes efficient for rapid xylose fermentation in Saccharomyces cerevisiae. PLoS One. 2013. Vol. 8 (2). P. e57048. doi: 10.1371/journal.pone.0057048.

Kim S.R., Ha S.J., Wei N., Oh E.J., Jin Y.S. Simultaneous co-fermentation of mixed sugars: a promising strategy for producing cellulosic ethanol. Trends Biotechnol. 2012. Vol. 30. P. 274–282. doi: 10.1016/j.tibtech.2012.01.005.

Farwick A., Bruder S., Schadeweg V., Oreb M., Boles E. Engineering of yeast hexose transporters to transport D-xylose without inhibition by D-glucose. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2014. Vol. 111. P. 5159–5164. doi: 10.1073/pnas.1323464111.

Haurie V., Perrot M., Mini T., Jenö P., Sagliocco F., Boucherie H. The transcriptional activator Cat8p provides a major contribution to the reprogramming of carbon metabolism during the diauxic shift in Saccharomyces cerevisiae. J. Biol. Chem. 2001. Vol. 276. P. 76–85. doi: 10.1074/jbc.M008752200.

Hedges D., Proft M., Entian K.D. CAT8, a new zinc cluster-encoding gene necessary for derepression of gluconeogenic enzymes in the yeast Saccharomyces cerevisiae. Mol. Cell. Biol. 1995. Vol. 15. P. 1915–1922. doi: 10.1128/MCB.15.4.1915.

Watanabe D., Hashimoto N., Mizuno M., Zhou Y., Akao T., Shimoi H. Accelerated alcoholic fermentation caused by defective gene expression related to glucose derepression in Saccharomyces cerevisiae. Biosci. Biotechnol. Biochem. 2013. Vol. 77 (11). P. 2255–2262. doi: 10.1271/bbb.130519.

Matsushika A., Goshima T., Hoshino T. Transcription analysis of recombinant industrial and laboratory Saccharomyces cerevisiae strains reveals the molecular basis for fermentation of glucose and xylose. Microb. Cell Fact. 2014. Vol. 13. P. 16. doi: 10.1186/1475-2859-13-16.

Scalcinati G., Otero J.M., Van Vleet J.R., Jeffries T.W., Olsson L., Nielsen J. Evolutionary engineering of Saccharomyces cerevisiae for efficient aerobic xylose consumption. FEMS Yeast Res. 2012. Vol. 12 (5). P. 582–597. doi: 10.1111/j.1567-1364.2012.00808.x.

Ruchala J., Kurylenko O.O., Soontorngun N., Dmytruk K.V., Sibirny A.A. Transcriptional activator Cat8 is involved in regulation of xylose alcoholic fermentation in the thermotolerant yeast Ogataea (Hansenula) polymorpha. Microb. Cell Fact. 2017. Vol. 16. P. 36. doi: 10.1186/s12934-017-0652-6.

Sambrook J., Fritsh E.F., Maniatis T. Molecular Cloning: A Laboratory Manual. New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1989. 253 p.

Gietz R.D., Woods R.A. Transformation of yeast by lithium acetate/single-stranded carrier DNA/polyethylene glycol method. Methods Enzymol. 2002. Vol. 350. P. 87–96. doi: org/10.1016/S0076-6879(02)50957-5.

Taxis C., Knop M. System of centromeric, episomal, and integrative vectors based on drug resistance markers for Saccharomyces cerevisiae. Biotechnique. 2006. Vol. 40. P. 73–78. doi: 10.2144/000112040.