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バイオフィルムベースの発酵：エタノール生産中のサッカロミセス・セレビシエの細胞周期進行のための新しい固定化戦略
Biofilm-based fermentation: a novel immobilisation strategy for Saccharomyces cerevisiae cell cycle progression during ethanol production.
PMID: 32666184 DOI: 10.1007/s00253-020-10770-1.
抄録
バイオフィルムベースの発酵は、新しい固定化戦略として、アルギン酸カルシウム固定化発酵と比較して、優れた耐環境性、高い生産性、連続発酵により、工業的発酵に有益である。これら2つの技術は、主に細胞の段階に関して異なる。ここでは、サッカロミセス・セレビシエのバイオフィルム発酵の細胞表現型を記述し、アルギン酸カルシウム固定化中の細胞周期と比較する。バイオフィルムベースの発酵では、ほとんどの細胞がバイオフィルムの綿繊維担体に付着し、G2/M期であったのに対し、アルギン酸カルシウムに付着した細胞はG1/G0期であった。栄養状態に応じて細胞周期の進行を制御するRIM15遺伝子を欠失させると、アルジネート包埋細胞で観察される細胞周期の停止が妨げられ、バイオフィルム形成が強化され、発酵能力が改善された。rim15△株が示したバイオフィルム形成の改善は、接着タンパク質FLO11の発現レベルの上昇とトレハロースの合成に起因すると考えられた。これらの知見は、細胞外環境がバイオフィルムベースの発酵とアルジネート包埋発酵の違いの主な原因であり、RIM15が細胞周期の進行に不可欠な役割を果たしていることを示唆している。バイオフィルムでは、S. cerevisiae の細胞集団はほとんどが G2/M 期にあり、アルジネート包埋細胞は G1/G0 期に停止していた。 RIM15 遺伝子はエタノール発酵中に観察される細胞周期の進行に部分的に影響を与えた。 バイオフィルムベースの細胞は物理的な担体に積極的に吸着した。 バイオフィルムの固定化は細胞分裂活性を維持し、発酵効率を説明することができた。
Biofilm-based fermentation, as a new immobilisation strategy, is beneficial for industrial fermentation due to its excellent environmental resistance, high productivity and continuous fermentation relative to calcium alginate-immobilised fermentation. These two techniques differ mainly regarding cell stages. Here, we describe the cell phenotype of Saccharomyces cerevisiae biofilm-based fermentation and compare cell cycle stages with those during immobilisation in calcium alginate. Most cells in the biofilm-based fermentation adhered to the cotton-fibre carrier of the biofilm and were in the G2/M phase whereas alginate-embedded cells were in the G1/G0 phase. Deletion of the RIM15 gene, which regulates cell cycle progression according to nutritional status, hampered the cell cycle arrest observed in alginate-embedded cells, enhanced biofilm formation and improved fermentation ability. The improved biofilm formation shown by the rim15△ strain could be attributed to an increase in the expression level of the adhesion protein FLO11 and synthesis of trehalose. These findings suggest that the extracellular environment is mainly responsible for the difference between biofilm-based fermentation and alginate-embedded fermentation, and that RIM15 plays an essential role in cell cycle progression. KEY POINTS: • In the biofilm, S. cerevisiae cell populations were mostly in the G2/M phase while alginate-embedded cells were arrested in the G1/G0 phase. • The RIM15 gene partially influenced the cell cycle progression observed during ethanol fermentation. • Biofilm-based cells were actively adsorbed on the physical carrier. • Biofilm immobilisation could maintain cell division activity explaining its fermentation efficiency.