酵母乙醇发酵特异性营养因子（Asp）的发现及其在无生长条件下的增效机制解析

本研究针对酵母乙醇发酵与细胞生长耦合的难题，通过半合成培养基（OD600=2/16/32）和CO2排放监测，首次发现天冬氨酸钠（Asp）和MgSO4在无生长条件下特异性促进发酵，揭示了pH调控与Asp代谢的关键作用，为工业发酵工艺优化提供新靶点。

　　

在传统酿酒和生物燃料生产中，酵母的乙醇发酵效率直接影响经济效益。然而，长期以来存在一个科学难题：酵母在发酵过程中必然伴随细胞增殖，导致无法区分哪些营养因子真正促进乙醇合成而非生长。这种耦合现象使得工业发酵的精准调控面临瓶颈，尤其在需要高浓度乙醇的场景下，细胞生长反而会消耗底物并产生抑制性代谢物。

为了解决这一核心问题，来自日本酒类综合研究所（National Research Institute of Brewing）的合作团队以清酒酿造菌株Saccharomyces cerevisiae RIB1019为模型，设计了一套巧妙的实验体系。研究人员首先通过低接种量（OD₆₀₀=2）的半合成培养基筛选基础营养组合，发现添加0.2%酵母提取物（YE）和9.1%葡萄糖的体系中，天冬氨酸钠（Asp）与MgSO₄可使CO₂排放量显著提升。进一步引入KH₂PO₄和肌醇（myo-inositol）后，发酵速率得到协同增强。

为彻底解耦发酵与生长的关系，团队创新性地采用高糖（28.6%葡萄糖）和高接种量（OD₆₀₀=16/32）条件抑制细胞增殖。在这种"无生长"体系中，仅保留Asp即可维持高效发酵，证明其具有独立于增殖的代谢调控功能。机制研究表明，Asp通过双重途径发挥作用：既作为氨基酸前体参与代谢流重编程，又能协同Mg²⁺维持胞内pH稳态，这对高糖环境下的酶活性保护至关重要。

关键技术包括：1）梯度接种量（OD₆₀₀=2/16/32）控制生长状态；2）CO₂排放实时监测发酵强度；3）高糖胁迫（28.6%葡萄糖）建立无生长模型；4）组分剔除实验验证必需因子。

【Yeast strain and media】
使用清酒酿造菌株RIB1019，在YPD培养基（1% YE, 2% peptone, 2% glucose）中预培养，建立低/高接种量体系。AY基础培养基（表1）用于营养组分筛选。

【Fermentation in media containing YE】
9.1%葡萄糖体系中，1% YE+2% peptone组产生110mL/8h气体，而单独添加Asp+MgSO₄即可达到80%效果（图1A），证明二者是关键增效因子。

【Nutrients for fermentation and yeast cell growth】
高糖（28.6%）条件下，仅Asp可使气体产量提升3.2倍（图3B），且细胞数保持稳定。转录组显示Asp激活糖酵解（glycolysis）途径基因，同时抑制TCA循环相关酶表达。

这项发表于《Journal of Bioscience and Bioengineering》的研究首次明确了Asp在酵母发酵中的非生长依赖性功能，其重要意义在于：1）为工业发酵工艺优化提供精准靶点，避免营养浪费；2）高糖无生长体系的建立为代谢研究提供新范式；3）揭示了pH-Asp-Mg²⁺协同调控网络，拓展了对微生物胁迫响应的认知。研究团队特别指出，该发现可直接应用于清酒、威士忌等蒸馏酒生产，通过调整Asp添加策略提升产效比。