《Applied Microbiology and Biotechnology》：Unlocking the Zn-enriching potential of industrial yeast strains—an experimental journey from metal analysis to proteomics
编辑推荐：
本研究针对锌强化酵母(ZnY)在欧盟尚未获批的监管瓶颈，通过筛选10种工业酵母菌株，结合ICP-MS、XAS、蛋白质组学(DIA-MS)等多组学技术，系统揭示了菌株特异性锌富集规律、锌物种转化机制（Zn-P-O配体与氨基酸配体结合）及细胞内锌稳态调控网络（Zap1-Zrt1/Zrc1通路），为优化工业发酵工艺及推动ZnY在营养补充剂领域应用提供了关键数据支撑。
在全球约17%人口面临锌缺乏风险的背景下，锌强化酵母(Zn-enriched yeast, ZnY)作为一种潜在的膳食补充剂备受关注。然而，与已获欧盟批准的硒强化酵母不同，ZnY因缺乏对其锌物种组成、生物利用度及代谢途径的全面数据，至今未获欧盟食品安全局(EFSA)批准。工业酵母菌株在锌富集过程中存在怎样的应变特异性差异？锌在细胞内的分布与化学形态如何调控？这些问题的解答对推动ZnY的标准化生产及法规审批至关重要。
针对上述问题，研究团队展开了一项跨学科的系统研究。他们首先筛选了10种具有工业应用背景的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)和巴斯德酵母(Saccharomyces pastorianus)菌株，通过微发酵(BioLector? Pro)与生物反应器(Biostat?)两级放大实验，评估其锌富集能力。关键实验技术包括：利用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)定量锌含量；结合扫描电镜-能谱分析(SEM-EDX)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线吸收光谱(XAS)解析锌的分布与化学形态；采用数据非依赖采集质谱(DIA-MS)进行蛋白质组学分析；通过体外消化模型评估锌生物可及性。
锌富集能力的菌株差异性
微发酵实验显示，所有菌株在添加10 mmol/L ZnSO4后均能显著提升锌含量，但富集效果呈现明显菌株依赖性。其中，酿酒酵母Sa-07167在指数早期添加锌1小时后达到最高锌积累量（51.2 pg/细胞），而巴斯德酵母Nr.42通过长时间发酵（48小时）获得最大生物量锌总量。放大发酵验证了菌株在锌富集策略上的分化：Sa-07167以单位细胞锌储量见长，Nr.42则以生物量产量取胜。
锌物种转化与细胞内分布
光谱学分析揭示了锌在酵母细胞中的复杂存在形式。XAS线性拟合表明，锌酸盐(ZnSO4)在发酵过程中转化为与磷氧配体（P-O-ligands，占45%-70%）和氨基酸配体（占22%-36%）结合的物种。SEM-EDX元素成像进一步证实锌与磷在细胞表面共定位，提示可能存在锌磷酸盐生物矿化或聚磷酸盐结合机制。XPS表面分析显示Sa-07167的锌信号强烈（2.28 at-%），而Nr.42的锌主要储存在细胞内部。
锌应激下的蛋白质组重编程
蛋白质组学数据表明，对照（WMIX基础培养基，0.8 μmol/L Zn）条件下，酵母通过激活转录因子Zap1调节网络（如高表达锌转运蛋白Zrt1、Zrc1）应对锌限制。而在锌过量条件下，菌株转向锌过剩响应机制：酒精 dehydrogenase (Adh) 同工酶从铁依赖型Adh4转换为锌依赖型Adh1/2/3/5；核糖体蛋白等锌结合蛋白表达上调；液泡H+-ATP酶亚基（Vma2/Vma5/Vph1）表达增强，可能为锌液泡储存提供质子梯度。值得注意的是，金属硫蛋白Crs5在锌过剩条件下表达下降，暗示其在工业菌株锌稳态中作用有限。
锌生物可及性的菌株差异
体外消化实验显示，Nr.42的锌生物可及性显著高于Sa-07167（74.43% vs. 14.23%），可能与后者细胞表面锌磷酸盐沉淀的低溶解性有关。尽管Sa-07167单位锌释放浓度更高（145 mg/L），但其生物可利用锌比例较低。
本研究通过多维度数据揭示了工业酵母菌株在锌富集能力、锌物种形成及稳态调控方面的多样性。结果表明，锌富集过程涉及表面吸附、生物矿化及细胞内积累等多重机制，且菌株特异性代谢特性（如磷代谢、锌结合蛋白库规模）直接影响锌的最终形态与生物可利用性。这些发现为优化工业发酵工艺提供了理论依据，并为ZnY的安全性评估提供了关键的锌物种分布数据。未来研究需结合纳米级二次离子质谱(NanoSIMS)等尖端成像技术，进一步解析锌在亚细胞水平的动态分布，以全面揭示工业菌株锌稳态的调控网络，加速ZnY在营养健康领域的应用进程。
