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为提升酿酒酵母重组蛋白产量，研究人员筛选酵母菌株，发现新靶点，为相关生产提供策略。
酿酒酵母的 “潜力挖掘” 之旅：解锁异源漆酶高产密码
在生物技术蓬勃发展的当下，重组蛋白的生产是众多领域的关键环节。酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）凭借其诸多优势，如基因组研究透彻、能分泌大型且经翻译后修饰的蛋白、生长迅速、培养成本低等，成为实验室和工业生产中常用的重组蛋白宿主细胞。然而，它也有个明显的短板 —— 重组蛋白产量相对较低，这一问题在大规模工业生产中尤为突出，限制了酿酒酵母更广泛的应用。
为了突破这一瓶颈，来自加拿大英属哥伦比亚大学、法国斯特拉斯堡大学等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们的研究成果发表在《Microbial Cell Factories》上，为提高酿酒酵母重组蛋白产量带来了新希望。
研究人员开展了一项大规模研究，旨在挖掘酿酒酵母的多样性，寻找提高异源漆酶（laccase）产量的新靶点。漆酶属于多铜氧化酶超家族，在生物修复、纸浆和造纸加工、废水处理等众多生物技术领域有着广泛的应用前景。但目前，这种酶在高表达方面存在困难。此前针对提高酿酒酵母重组蛋白产量的研究，大多局限于单一菌株背景，忽略了酿酒酵母菌株的丰富多样性以及泛基因组注释信息。本研究则另辟蹊径，利用约 1000 株包含实验室、天然和工业来源的酿酒酵母菌株库，通过高通量表达试验筛选产漆酶的能力。
在研究方法上，研究人员主要运用了以下关键技术：
- 高通量筛选技术：构建含有来自 Trametes trogii（ttLcc1）漆酶基因的表达载体，转化至约 1000 株酿酒酵母菌株库中，通过基于 ABTS 底物的比色法测定漆酶活性，筛选出高产漆酶的菌株。
- 基因组和蛋白质组分析技术：对筛选出的高产漆酶菌株进行全基因组关联研究（GWAS）、开放阅读框（ORF）富集和缺失分析，以及蛋白质组学分析，挖掘潜在的影响漆酶产量的基因和通路。
- 基因敲除技术：在参考菌株 BY4741 中敲除候选基因，验证其对漆酶产量的影响。
下面来看看具体的研究结果：
- 新型高通量筛选：研究人员开发了一种新型筛选流程，以 ttLcc1 漆酶生产为测试案例，对约 1000 株酿酒酵母菌株进行筛选。经过初筛和复筛，最终确定了 20 株产漆酶活性显著高于实验室菌株 BY4741 的菌株。这些菌株的生态来源广泛，分布在不同的进化分支中，包括葡萄酒 / 欧洲、法国乳制品、非洲啤酒、混合起源和马赛克区域 3 等分支，表明产漆酶能力与菌株的进化适应环境有关。
- 产漆酶能力的影响因素：研究发现，高产漆酶菌株的漆酶活性提高并非由生物量增加、转录水平提高或质粒拷贝数增加导致。通过对部分菌株的研究表明，转录水平除了在少数菌株中与漆酶活性相关外，在多数菌株中与漆酶活性并无显著关联，且多数高产菌株的 ttLCC1 mRNA 水平低于参考菌株 BY4741。此外，研究还发现糖基化对 ttLcc1 的最大活性至关重要，在高产菌株 CLIB649 中，ttLcc1 的糖基化水平更高，这可能与蛋白折叠和分泌效率有关。
- 基因组特征分析：通过 GWAS 和 ORF 分析，研究人员发现了一些与漆酶产量相关的基因和通路。在基因组水平，鉴定出一些在高产菌株中富集或缺失的 ORF。例如，在高产菌株中，与己糖代谢、跨膜运输、维生素 B6 和硫胺素生物合成相关的基因，如 HXT11、IMA3、SNZ3 和 SNO2 等显著缺失。基因敲除实验验证了部分基因对漆酶产量的影响，如敲除 HXT11、YKR104W 和 YLR460C 等基因可使漆酶活性大幅提高。
- 蛋白质组特征分析：蛋白质组学分析表明，高产漆酶菌株与参考菌株 BY4741 相比，有 719 种蛋白质的表达量发生了显著变化。这些差异蛋白主要与代谢过程、细胞对压力的响应以及细胞内物质运输等过程相关。对部分受影响蛋白质的基因进行敲除实验，发现敲除 PRM8 和 SSE1 等基因可显著提高漆酶活性，表明早期分泌途径和蛋白质折叠的改变可能有助于提高漆酶活性。
在研究结论与讨论部分，研究人员通过大规模筛选实验室、野生和工业酿酒酵母菌株，结合基因组和蛋白质组分析，确定了多个影响漆酶产量的基因和通路。多数提高漆酶产量的基因敲除靶点是通过鉴定高产菌株中显著缺失的基因发现的，而蛋白质组学方法目前由于表征的菌株数量较少，验证的靶点相对较少。研究还发现，许多在高产菌株中受影响的基因和蛋白质参与代谢过程，如己糖代谢重编程可能有利于异源蛋白生产。此外，糖基化、硫胺素生物合成途径的下调以及囊泡运输和蛋白质折叠相关基因的改变，都与漆酶产量的提高密切相关。
这项研究为利用酿酒酵母的多样性进行重组蛋白生产开辟了新途径，为提高当前菌株的重组蛋白产量提供了新的策略和见解。未来，研究人员可基于这些发现，进一步优化酿酒酵母菌株，提高重组蛋白产量，推动生物技术产业的发展。
