第二节 酵母菌

酵母菌（yeast）不是分类学名词，一般泛指能发酵糖类的各种单细胞真菌，通常以芽殖或裂殖进行无性繁殖，有些可产生子囊孢子或担孢子进行有性繁殖，是具有核膜与核仁分化的较高等的微生物，细胞内有线粒体等较复杂的细胞结构。酵母菌在自然界的分布非常广泛，尤其喜欢生活在含糖量较高和偏酸性（pH 4.5～6.0）的环境中，如各种水果的表皮、发酵果汁、土壤和酒曲中，特别是甘蔗地、果园和菜园的土壤中较多。由于不少酵母菌可以利用烃类物质，故在油田和炼油厂附近的土层中可筛选到能利用石油的酵母菌。多数酵母菌对人类有益。酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是人类第一个家养微生物，目前在食品、发酵、医药、饲料等行业具有广泛的应用。该酵母也是一种模式真菌，是第一个测序的真核生物，基础研究深厚。白色假丝酵母（Canida albicans）等酵母菌能引起人类真菌感染，为有害酵母菌。

一、酵母菌的经济价值

人类利用酵母菌的历史十分悠久。早在史前时期，人类祖先就从成熟的落果自然发酵现象学会了酿酒；约在6000年前就发明了发面的方法。但直到19世纪发明了显微镜之后，人们才真正窥探到在酿酒和发面中酵母菌的真面目。之后丹麦生物学家汉斯为寻求酿造高品质啤酒的方法，开始深入研究酵母菌，对酵母菌进行纯培养和分类研究。目前发现的酵母菌已超过500种，分属56个属。

酵母菌具有个体大、容易培养、蛋白质含量高、代谢产物多、综合利用广等特点。在食品、酿酒、饲料、医疗保健和生物工程等行业都有广泛的用途（表3-2）。

二、酿酒酵母

酿酒酵母又称啤酒酵母、面包酵母等，分类上属于真核生物域，真菌界，真菌门，子囊菌纲，内孢霉目，内孢霉科，酵母属。可利用自身的酶系将麦汁、果汁等基质中的可发酵性糖经过一系列复杂的生化反应过程转变为酒精、二氧化碳和系列副产物（如各种酸类、醇类、醛类、酯类和酮类等）。酿酒酵母是真核生物研究的模式生物，是研究最为深入、应用较为广泛的简单真菌。酿酒酵母的不同菌株在发酵、食品、制药、饲料等行业得到广泛的应用（表3-2）。

1.酿酒酵母的分类

酵母属狭义酿酒酵母组（Saccharomyces sensu stricto），包括7个紧密相关的种：酿酒酵母（Sac.cerevisiae）、奇异酵母（Sac.paradoxus）、贝酵母（Sac.bayanus）、巴斯德酵母（Sac.pastorianus）、里约酵母（Sac.cariocanus）、麦卡特酵母（Sac.mikatae）和库维酵母（Sac.kudriavzevii）。巴斯德酵母一般认为是酿酒酵母和贝酵母的杂交种。大量生态和生物技术方面的研究表明，酿酒酵母是酒精生产和果汁发酵酿酒的主要菌种，传统的名称，如椭圆酵母（Sac.ellipsoideus）、卵形酵母（Sac.oviformis）、Sac.cheresiensis、薛瓦酵母（Sac.chevalieri）等代表Sac.cerevisiae种下具有不同技术性能的株系。啤酒生产中应用的菌株大多属于巴斯德酵母。奇异酵母只存在于自然环境中，从生产环境中很少分离到，用于工业生产的酿酒酵母菌株可能由奇异酵母驯化而来。贝酵母曾用名葡萄汁酵母（Sac.uvarum），广泛用于生产面包和酿造葡萄酒。

2.酿酒酵母被作为模式生物的研究

自1996年以来，酿酒酵母作为真核模式生物已经完成了全基因组测序、转录组分析、蛋白质相互作用网络图以及代谢功能图谱等工作。在众多的模式生物中，对酿酒酵母的研究最为深入，且最为广泛地被运用到各个领域。作为模式生物的先驱，酿酒酵母的优势在以下两个方面的应用尤为突出。

（1）酿酒酵母作为模式生物在外源基因功能鉴定中的应用 酿酒酵母基因组小，生命周期短，繁殖快速，再加上实验操作上更简易，具有简便的平板影印能力，非常适合遗传学上的分析研究。同时，酿酒酵母具有稳定的单倍体和二倍体细胞，在实验条件下，酿酒酵母的二倍体和单倍体这两种状态可以相互转换。在众多的模式生物中，这是酿酒酵母较为突出的优点，这在基因功能鉴定上的应用尤为重要。目前，酿酒酵母基因转化与性状互补已经被广泛地应用到确定新外源基因的功能中。理论上，与任何一种遗传学特征相对应的不同生物的结构基因都可以通过质粒文库的互补作用，而在酿酒酵母缺失突变体中得到鉴定。研究表明，利用整合型质粒（Yip型），可以精确地对酿酒酵母基因组中的任意基因进行置换，并可以通过孢子繁殖中的四分体分析技术，有效地进行相关基因功能的观测和研究。另外，也可以将外源基因克隆于酿酒酵母表达载体上，转化野生型或突变型酵母菌株，通过观察酵母的表型变化来推测该基因的生物学功能。例如，科学家将玉米中可能编码脂肪酸脱氢酶的基因fa d2导入野生型的酵母细胞中，利用基因表达技术，发现带有玉米基因的野生型酵母中出现了相应的不饱和脂肪酸，证明该基因具有编码脂肪酸脱氢酶的功能。

（2）酿酒酵母作为模式生物在人类基因功能研究中的应用酿酒酵母作为单细胞真核生物，具有和动植物相似的结构特征，包括细胞核、内质网、高尔基体、线粒体、过氧化物酶体、细胞骨架等，而且其细胞和动植物细胞的生长发育所发生的细胞过程也有很高的相似性，也就是说某些较为复杂的生命活动可以在酿酒酵母中找到，例如，酿酒酵母在减数分裂、细胞周期调控以及DNA的修复这些方面的控制基因与人类的基因具有高度同源性。作为模式生物，酿酒酵母在人类基因功能研究上做出了很大的贡献，若一个未知功能的人类基因通过功能互补实验能够补偿酿酒酵母当中某一个已知功能的突变基因，那么，这个未知功能的人类基因与已知功能的酿酒酵母突变基因之间就具有相似的功能。例如，人类有3个基因与半乳糖血症有关，它们分别是GALT（UDP-半乳糖转移酶）、GALK2（半乳糖激酶）以及GALE（UDP-半乳糖异构酶），相对应的，它们分别能补偿酿酒酵母中相应的GAL7、GAL1、GAL10这3个基因的突变。利用酿酒酵母这种模式生物与人类基因之间的功能互补实验，两者越来越多的相关基因在遗传学水平上被验证。现在已经发现71对酿酒酵母与人类的互补基因，其中20个基因与基础代谢有关，16个与基因表达有关，1个与蛋白质运输有关，7个与DNA的合成修复有关，7个与信号转导相关，17个与细胞周期有关。实验表明，在人类的遗传疾病中能够检测到接近50%的蛋白质和酿酒酵母蛋白质在氨基酸序列上具有一定的相似性，所以，人们能够较为合理地推测大部分的酵母蛋白质可以在人的蛋白质组当中找到相应同源物。最终根据酿酒酵母蛋白质组成员之间在结构以及功能上的等同性对人类的蛋白质做出分析。

3.酿酒酵母代谢工程改造研究

酿酒酵母是重要的真核模式生物，具有良好的工业生产性能。作为第一个完成全基因组测序的真核生物，酿酒酵母相关的转录组学、蛋白质组学、代谢组学知识及技术体系完善，生物信息学、系统生物学分析方便，其代谢网络模型的不断更新，也为系统生物学分析及预测提供了基础。另外，酿酒酵母基因组简单，遗传操作体系完善，易于实现元件的设计和各种模块的构建改造。同时，酿酒酵母具有生长速度快、对抑制物耐受性强、食品级安全等优良生产特征。因此，酿酒酵母是生产各种生物能源及生物基化学品极具潜力的细胞工厂。

酿酒酵母是酒精发酵的传统菌种。以发酵法生产的生物乙醇，不仅具有和矿物燃料相似的燃烧性能，而且属于可再生、无污染的生物能源。乙醇不仅可以单独作为燃料，也可和汽油或柴油混合形成混合燃料。生物乙醇虽然是很好的替代能源，但生物乙醇的生产工艺中还存在许多问题。首先是生产成本太高，其中底物成本在生产总成本中占很大的比例。目前，国内外使用的原材料主要以淀粉质和糖蜜为主，不仅成本较高，而且导致粮食储备短缺。其次是酿酒酵母的乙醇产率普遍偏低，无法满足工业化大生产的需求。因此开发可用于生物乙醇生产的廉价原材料，选育优良的乙醇高产菌株成为近几年的研究热点之一。利用生物技术对酿酒酵母进行遗传修饰，改变其代谢网络，构建高产乙醇的转基因酿酒酵母已成为当今酿酒酵母分子育种的热点。

代谢工程研究通常包括两部分，一部分是对细胞体系进行系统分析，除了分析细胞内的代谢流走向以外，还要利用转录组学和蛋白组学手段对细胞内基因的表达进行系统分析，揭示基因表达与代谢途径之间的相关性；另一部分是根据分析结果对目的菌株进行遗传改造，改变代谢流向，开辟新的代谢途径，构建可用于工业生产的优良菌株。

酿酒酵母代谢工程改造的目标有拓展底物范围、降低副产物的生成率、提高乙醇产量和改良细胞特性等。用代谢工程手段扩展底物范围，首先必须引入分解新底物的一些相关酶的基因。为了达到这个目的，可采用两种不同的方法：（a）引入一个膜结合蛋白基因，这个蛋白可以将新底物转运至细胞内；如果必要，再引入一个分解该底物的基因。（b）引入一个可分泌至胞外的蛋白新基因，这种蛋白可以将新的底物分解为能被宿主细胞吸收的物质。改造后的酵母菌可高效利用淀粉、乳糖、木糖和木质纤维素等生产乙醇等物质。在降低副产物的生成率、提高乙醇产量方面，利用代谢工程对酿酒酵母进行遗传操作，修饰或阻断一步或多步代谢反应，改变代谢流方向与流量，实现乙醇发酵过程向有利于生成更多乙醇、减少副产物生成的方向进行，已取得了不少进展。例如，可通过代谢工程改造减少啤酒酿造中的双乙酰生成量，降低酒精发酵中的甘油生成量等。在改良细胞特性方面，可通过代谢工程操作提高酵母菌对乙醇的耐受性，增加酿酒酵母的絮凝作用等。

采用代谢工程技术，通过提高前体代谢物供给，引入代谢途径等技术措施，构建酿酒酵母生产平台，生产生物基化合物，用于生物能源、生物化工、食品与医药等领域，具有广阔的发展空间。已经研究生产的生物基化合物有：D-乳酸、3-羟基丙酸、3-磷酸甘油、琥珀酸、甘油、衣康酸、十六烷醇、丁醇同分异构体、异戊醇、异丁醇、2，3-丁二醇、二苯基乙醇、己二烯二酸、聚羟基丁酸酯、乙醇酸、对氨基苯甲酸、乙烯、二羟基丙酮、1，3-丙二醇和3-巯基-1-己醇等。医药中间体和生理活性物质有短链脂肪酸、植物裂环环烯醚萜、紫穗槐-4，11-二烯、类异戊二烯、β-胡萝卜素、甜叶菊苷A、咖啡碱、可可碱、长链脂肪醇、沉香醇、黄酮苷、白藜芦醇、人参皂苷、脂肪酸乙酯、谷胱甘肽、低聚羧酚酞、次丹参酮二烯、柚皮素、紫杉烷、香叶基香叶醇和番茄红素等。此外，还研究了酿酒酵母生产高活性的阿魏酸酯酶、淀粉酶等酶制剂，改造酿酒酵母用于生物修复等。