编译：林芷薇，张子明，魏韬（华南农业大学食品学院）
研究表明，酿酒酵母等真核模式生物代谢甲醇的能力一直很差，这使得利用甲醇代谢途径替代糖发酵应用于发酵工程一直受限。年11月04日，MonicaI.Espinosa等人在《NatureCommunications》上发表了题为《AdaptivelaboratoryevolutionofnativemethanolassimilationinSaccharomycescerevisiae》的文章，表明在实验室菌株CEN.PK中发现了甲醇特异性转录组反应以及甲醇特异性生长，并使用自适应实验室进化（ALE）表征了CEN.PK中的甲醇代谢途径，这项研究为进一步生物技术发展和酿酒酵母等真核模式生物的工业应用提供了基础。
现如今，利用二氧化碳、甲烷和甲醇等单碳基质对解决当前的气候危机至关重要。在生物经济中微生物代谢应用于将可再生材料转化为有用产品，微生物代谢通常以甘蔗或玉米中提取的糖作原料，但制糖费用高昂。而像甲基营养型生物的甲醇营养代谢为糖发酵提供了替代品。将易从天然气或农业、城市或工业废物等废物资源中获得的甲醇等C1化合物替代糖为原料，应用于生产食品、燃料和化学品的发酵工程，已成为合成生物学领域的主要目标。例如，甲醇营养型酵母中巴斯德毕赤酵母（Pichiapastoris，现更名为Komagataellaphaffii9）目前在工业上用于生产重组蛋白、还用于从糖中生产包括虾青素和异丁醇在内的代谢产物。
然而与模式生物相比，大多数天然甲基营养型微生物的利用甲醇的能力有限、无法达到高产，所以近期也有研究侧重于将大肠杆菌和谷氨酸皮质杆菌等细菌人工培养成甲基营养型。同样地，酿酒酵母等模式真核生物代谢甲醇的能力一直很差，而酿酒酵母在工业发酵中具有明显的优势，例如，酿酒酵母菌可以正确表达、折叠和翻译后修饰真核蛋白，不易受到噬菌体污染，对低pH浓度和甲醇等溶剂具有高耐受性，并具有细胞器，可以用于专业代谢的定位。
MonicaI.Espinosa的团队在实验室菌株CEN.PK中发现了甲醇特异性转录组反应以及甲醇特异性生长，甚至强过于实验室菌株SC。他们使用自适应实验室进化（ALE）表征CEN.PK中的甲醇代谢途径，确定了酿酒酵母将甲醇同化到中央碳代谢中的天然能力；并利用甲醇特异性生长分析法和13C-甲醇示踪研究，我们表征并改善了酿酒酵母菌的天然甲醇同化。
实验者比较了两种常用的酿酒酵母菌株SC和CEN.PK-5D在甲醇存在下的转录反应和生长情况，认为CEN.PK是培养成甲基营养型的理想菌种。进一步用含和不含2％甲醇和0.1％酵母提取物的液态酵母氮碱（YNB）培养基来评估甲醇对生长的影响，证实了在含有酵母提取物的液体培养基中甲醇特异性的增长。为了更深地研究酿酒酵母中的甲醇反应并确定在共底物酵母提取物存在下甲醇进入中心碳代谢的程度，进行了13C-甲醇示踪剂分析，结果证明酿酒酵母具有天然的甲醇同化能力。
ALE用于表征和改善酿酒酵母中的天然甲醇代谢，依靠自然发生的DNA复制错误在种群中产生遗传多样性。实验者在两种不同的培养基之间进行脉冲处理，同时将群体与不良的共底物（酵母提取物）一起暴露于甲醇中作为选择压力，培养了总共六个独立的世系，生长了代，对六个进化的种群进行重新测序，以鉴定导致表型的推定突变。实验证明了翻译过程过早终止，导致YGRC蛋白的截短，这段截短的转录因子在甲醇存在下负责不断生长。
实验者重建EC菌株，该菌株与CEN.PK-5D之间唯一基因型变化是YGRC的引入截断，通过13C-甲醇示踪剂分析、转录组学和蛋白质组学分析重建进化菌株在代谢物、转录组和蛋白质组的水平表征均表明，重组菌株与亲本菌株的中心碳代谢途径表达发生了显著变化。与CEN.PK-5D相比，重建的EC菌株中涉及糖酵解的5个基因(HXK1、GLK1、DAK2、TDH1和ENO2)转录丰度更高,而参与糖生成的关键酶果糖-1,6-二磷酸酶的FBP1转录本丰度较低，6-磷酸果糖-2-激酶糖酵解调节因子PFK转录丰度也相对增加。Hxk1p、Glk1p、Tdh1p、Eno2pye和Pfk1p蛋白丰度也增加了，均说明重建EC菌株在甲醇的生长过程中主要发生糖酵解而不是糖异生作用。另外参与TCA循环的9个基因(CIT1、CIT2、ACO1、IDH1、IDH2、KGD2、SDH1、SDH3和FUM3)转录丰度较低，表明在甲醇和酵母提取物的作用下，TCA循环被下调。参与天然甲醛解毒和酒精氧化的Sfa1p增加了重建EC菌株的蛋白质丰度。有趣的是，戊糖磷酸途径显示RKI1转录丰度较低，Tkl2p蛋白丰度较低，而Tal1p和Fba1p蛋白丰度较高。
研究者们又选择了ADH2、CAT8、SHM1、ACS1四个基因来分析它们在重建的EC菌株中天然甲醇代谢中的潜在作用，具体方法是在重构的EC菌株中构建上述基因的单缺失菌株，并通过将菌株点样到具有2％葡萄糖，无额外碳源或增加甲醇浓度的固体基本YNB培养基上进行测试，结果表明ADH2和ACS1的缺失将减少甲醇特异性生长，因为ADH2对甲醇有明显的上调作用，它能将甲醇氧化为甲醛；ACS1在巴斯德毕赤酵母中参与了乙醇的抑制，这是表达甲醇诱导的基因所必需的。
虽然之前酿酒酵母从未被归类为甲基营养型菌，并且在文献中没有记录过甲醇的早期生长或同化，但从13C-甲醇中完全13C标记的代谢产物的鉴定清楚地表明，甲醇可以通过酿酒酵母中的中心碳代谢同化。Ygrcp的截短可能导致通常被抑制的基因的持续稳定表达，从而导致更有利的调节条件和甲醇生长所需的代谢通量。综合代谢组学、转录组学和蛋白质组学的分析表明，相对于亲本对照菌株，在重建EC菌株中甲醇同化过程中可能发生净糖酵解通量增加。
研究者们在酿酒酵母中发现了天然甲醇的同化作用，并通过ALE进行了改进，从而提供了探索天然甲醇代谢的可能性。这项工作的结果代表了在微生物发酵过程中使用可持续原料转化为化学品、燃料、材料、药品和食品的激动人心的一步，并提供了真核生物模型中未探索的代谢网络的概览。
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