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纤维素乙醇发酵过程中不同酵母菌株的比较脂组学研究

夏金梅  
【摘要】: 酵母细胞抑制剂耐受和五碳糖利用问题是纤维素乙醇生产中的的两大关键问题。为了探讨酵母细胞抑制剂耐受机理以及影响酵母细胞五碳糖利用的因素,本研究以普通酵母菌株、本实验室通过梯度驯化手段得到的不同抑制剂耐受菌株以及木糖利用基因工程菌株为体系,运用高通量的磷脂分析策略结合生物信息学手段,试图对酵母细胞的耐受抑制剂能力和木糖利用能力给出更好地理解。 基于LC/ESI/MSn构建了不同酵母菌株细胞膜上的磷脂图库,识别了9种磷脂酰甘油(PG)、24种磷脂酰乙醇胺(PE)、25种磷脂酰胆碱(PC)、30种磷脂酰肌醇(PI)、17种磷脂酰丝氨酸(PS)和15种磷脂酸(PA)共六类120种磷脂分子。将小波变换手段引入传统的模式识别方法中,建立的小波变换-主成分分析(WT-PCA)方法具有很强的模式识别能力。将WT-PCA方法用于酵母磷脂组数据的生物信息学挖掘,分析了不同酵母菌株磷脂图谱的差异。 对不同菌株磷脂组成的分析显示,糠醛的加入引起了普通菌株SC和糠醛耐受菌株SCF中PE和PI含量的下降以及PC含量的升高;苯酚的加入引起了SC菌株和苯酚耐受菌株SCP中PE和PI含量的下降以及PC含量的升高;乙酸的加入引起了SC菌株与乙酸耐受菌株SCA中PA与PS相对含量的增加以及PI相对含量的减少。通过对三种抑制剂耐受过程的比较磷脂组学分析,获得了生物标志物分别为PC、PI与PA。对这些生物标志物的进一步分析显示,SCF菌株PC分子的碳链饱和性高于SC菌株PC分子的碳链饱和性;SCP菌株的含较短碳链的PI分子比SC菌株低,而其含较长碳链的PI分子比SC菌株高;PA分子的碳链长度和饱和度在SC和SCA菌株间均存在显著差异。磷脂分子的碳链饱和性和长度的变化提示,酵母细胞膜流动性的变化在其不同抑制剂耐受过程中起着重要作用。对三种抑制剂的比较发现,抑制剂的logPow值越高,其毒性越大。 对木糖利用菌株424A(LNH-ST)和其出发菌株4124在水解液中的发酵表现及相应的磷脂组数据的分析显示,木糖的利用速率不仅受到培养基中抑制性物质的影响,也受到培养基中营养成分的影响。而且,膜上磷脂的组成与酵母菌株的发酵表现之间存在着密切相关关系。PI/PS值与细胞最终能达到的稳定期细胞密度密切相关,PC/PE值与葡萄糖的利用速率有着相似的趋势,而细胞中PI分子的含量与细胞的木糖利用速率有着密切关系。这些规律提示,膜上磷脂变化造成的膜性质的改变可能影响着木糖的转运进而影响木糖的利用速率;而膜上磷脂变化预示的细胞活性的改变也影响着木糖的代谢表现。


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