热应激下毕赤酵母的生存密码：代谢重编程与耐热机制解析
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时间：2025年02月25日
来源：BMC Biology 4.4
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为探究非常规酵母耐热机制，研究人员以毕赤酵母（Pichia kudriavzevii）LC375240 为对象，发现其通过多种途径耐热，为工业应用提供理论依据。
在工业生产的大舞台上，酵母就像是一群忙碌的 “小工匠”，承担着诸多重要任务。传统的酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）一直以来都是食品发酵和第一代生物乙醇生产的主力军，它在酿造面包、啤酒和葡萄酒等美食佳酿的过程中功不可没。然而，随着科技的发展和工业需求的不断升级，第二代生物乙醇生产以及其他复杂的生物加工过程，对酵母提出了前所未有的挑战。这些过程往往伴随着渗透压、高温、乙醇以及各种抑制剂等多重 “压力山大” 的环境，传统酿酒酵母在这些恶劣条件下渐渐力不从心，其在工业应用中存在的诸如高糖基化、分泌能力差、异源蛋白折叠错误以及对渗透压和温度耐受性较低等问题也逐渐暴露出来。
与此同时，非常规酵母凭借其与生俱来的对恶劣环境的耐受性，开始走进科研人员的视野。它们就像是酵母家族中的 “特种部队”，在各种极端环境中展现出强大的生存能力。例如，Yarrowia lipolytica对盐和氧化应激有着出色的抵抗能力，Ogataea polymorpha则以耐热性著称。而毕赤酵母属（Pichia）中的一些菌株，尤其是Pichia kudriavzevii，更是表现出令人惊叹的特性，部分菌株不仅能在高温下茁壮成长并高效生产乙醇，还具备对多种压力的耐受性。其中，Pichia kudriavzevii LC375240 菌株在 37℃和 42℃的高温下，不仅生长态势良好，乙醇生产效率高，而且对乙酸、糠醛、甲酸、H2O2以及高浓度乙醇都有着极强的耐受性。但是，这些非常规酵母，特别是Pichia属酵母的耐热分子机制却一直如同迷雾，笼罩在科研人员心头，亟待揭开。
为了破解这一谜团，[第一作者单位] 的研究人员展开了一场深入的探索之旅。他们以Pichia kudriavzevii LC375240 为研究对象，通过一系列严谨而细致的实验，试图揭示其耐热的奥秘。研究成果发表在 [具体期刊名称] 上。
在这场探索中，研究人员主要运用了转录组分析、基因编辑和生物化学分析等关键技术。转录组分析就像是给酵母细胞做了一次 “基因体检”，全面了解不同热处理条件下基因表达的变化；基因编辑技术（CRISPR-Cas9）则如同 “分子剪刀”，精准地对特定基因进行编辑，探究其在耐热过程中的作用；生物化学分析则帮助研究人员测定细胞内各种代谢物的含量和酶的活性，从分子层面解析酵母的耐热机制。
研究人员首先对Pichia kudriavzevii LC375240 进行了不同时长的热处理，然后通过 RNA 测序（RNA-seq）分析全球基因表达谱。结果发现，无论是短期热冲击（SHS，42℃处理 0.5 小时）还是长期热处理（LHT，42℃处理 2 小时），都能引发酵母细胞的基因表达发生显著变化。长期热处理下，差异表达基因（DEGs）的数量更多，涉及的功能通路也更为广泛，这表明长期热处理对酵母细胞的影响更为深远。
在代谢途径方面，研究人员发现，长期热处理显著影响了酵母的多个代谢途径。三羧酸循环（TCA cycle）作为细胞能量供应的重要途径，其相关基因在长期热处理下大多呈现上调趋势。这就像是工厂里的 “能量生产线” 在高温环境下加速运转，以满足细胞对能量的更高需求。与之相反，戊糖磷酸途径（PPP）的基因则被抑制，导致细胞内 NADPH/NADP+比值下降。同时，细胞内的氧化还原状态也发生了改变，还原型谷胱甘肽（GSH）水平升高，这有助于维持细胞的氧化还原平衡，抵抗热应激带来的氧化损伤。
热休克蛋白（HSPs）在酵母应对热应激的过程中发挥着关键作用。它们就像是细胞内的 “蛋白质守护者”，在高温下防止蛋白质聚集，帮助受损蛋白质重新折叠，维持蛋白质的正常功能。研究发现，在热处理过程中，多个 HSP 相关基因的表达显著上调，尤其是在长期热处理下，更多的 HSP 基因被激活。这表明酵母细胞在面对长期高温挑战时，需要更多的 HSPs 来保护自身的蛋白质稳态。
海藻糖（trehalose）作为一种在酵母应对压力时发挥重要作用的糖类，其代谢途径在热应激下也发生了显著变化。研究人员发现，海藻糖合成和分解相关的基因在热处理下均上调，导致细胞内海藻糖含量增加。这就好比细胞给自己穿上了一层 “糖衣铠甲”，增强了对高温的抵抗力。
抗氧化防御机制在酵母应对热应激中同样不可或缺。热休克会导致细胞内活性氧物种（ROS）大量产生，对细胞造成氧化损伤。研究发现，超氧化物歧化酶（SOD）等抗氧化酶的基因表达上调，酶活性增强，这有助于清除细胞内的 ROS，维持细胞的正常生理功能。
为了进一步验证这些基因和代谢途径在酵母耐热中的作用，研究人员利用 CRISPR-Cas9 技术构建了多个基因的缺失突变体。实验结果表明，热休克蛋白、超氧化物歧化酶和海藻糖代谢相关基因的缺失，会显著降低酵母细胞的耐热性，这直接证明了这些基因和代谢途径在酵母应对热应激过程中的重要性。
综合以上研究结果，研究人员得出结论：Pichia kudriavzevii LC375240 通过增强 TCA 循环、抑制 PPP 途径、上调 HSPs、增加海藻糖、GSH 和 SOD 水平等多种机制，有效地抵抗热应激。这些发现为我们深入理解Pichia kudriavzevii的耐热分子机制提供了全面而详细的信息，为工业应用中理性设计更耐热的Pichia菌株奠定了坚实的理论基础。这不仅有助于提高生物乙醇生产效率，还可能在其他需要耐热微生物的工业领域发挥重要作用，开启了非常规酵母在工业应用中的新篇章。
