华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室王风清、魏东芝教授团队在Metabolic Engineering发表题目为“Multidimensional engineering of Saccharomyces cerevisiae for the efficient production of heme by exploring the cytotoxicity and tolerance of heme”研究论文（通过探索血红素的细胞毒性和耐受性对酿酒酵母进行多维工程改造以实现血红素的高效生产）。 血红素因其不可或缺的生物学作用以及在医疗保健和人工食品中的应用而受到广泛关注。开发利用食用微生物代替动物生产血红素是促进血红素大规模工业化生产和安全应用最有希望的方法。然而，血红素的细胞毒性严重制约了微生物对其的高效合成，其细胞毒性机制尚不完全清楚。本研究通过代谢工程增强血红素的合成，探讨了血红素毒性对酿酒酵母的影响。研究结果表明，血红素稳态被破坏后，血红素的积累导致细胞生长和代谢严重受损，表现为生长明显不良、线粒体损伤、细胞变形、细胞表面干裂，这些特征与细胞内活性氧（ROS）水平显著升高（主要是H2O2和超氧阴离子自由基）有关。为了提高细胞对血红素的耐受性，进行了5轮实验室进化，血红素产量分别增加了7.3倍（38.9 mg/L）和4.2倍（1.4 mg/L/OD600）。基于比较转录组分析，确定了32个基因作为候选基因，可以进行修改以使酿酒酵母的血红素产量提高20%以上。结果表明，5 个基因（SPS22、REE1、PHO84、HEM4 和 CLB2）的组合过表达是提高血红素产量的最佳方法。因此，我们开发了一株具有增强的血红素耐受性和 ROS 淬灭能力的菌株（R5-M），该菌株在补料分批发酵中可以产生 380.5 mg/L 血红素，生产率为 4.2 mg/L/h，是迄今为止报道的产量最高的酿酒酵母菌株。这些发现强调了提高血红素耐受性对于微生物生产血红素的重要性，并为工程酵母高效生产血红素提供了解决方案。3.1. 通过 C4 和 C5 途径杂交构建高产 ALA 酵母菌株Fig. 1. Engineering S. cerevisiae CENPK.2-1C for ALA overproduction.Fig. 2. Identification of key steps from ALA to heme and changes of related metabolic phenotypes after gene expression regulation.3.4. 利用 CARM 进化筛选高产血红素的酵母Fig. 3. Evolution of high heme-producing strains based on CARM.Fig. 4. Differences of cell and mitochondrial morphology, and ROS level among strain WT, strain H11 and strain R5-03.3.6. 使用比较基因组学和转录组学分析研究 R5-03 菌株对血红素耐受性增强的机制Fig. 5. Screening and evaluating the potential genes that can promote heme biosynthesis.Fig. 6. Effects of iteratively combined overexpression of SPS22, REE1, MAL11, PHO84, HEM4, and CLB2 on heme production.Fig. 7. Fed-batch fermentation of strain R5-M for heme production in a 5-L tank fermenter.https://doi.org/10.1016/j.ymben.2024.07.007![]()
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