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在工业应用中，酵母的耐热性至关重要，而非常规酵母尤其是毕赤酵母属的耐热机制尚不明确。研究人员以季也蒙毕赤酵母（Pichia kudriavzevii）LC375240 为对象开展研究，发现其通过增强 TCA 循环等机制适应热应激，为工程改造更耐热的毕赤酵母菌株提供理论依据。
在工业生产的大舞台上，酵母扮演着极为重要的角色。传统的酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）一直以来都是食品发酵、生物乙醇生产等领域的 “主力军” ，在漫长的发展过程中，它已经适应了食品和饮料发酵的温和环境，并且在第一代生物乙醇生产中表现出色。然而，随着工业需求的不断升级，第二代生物乙醇生产面临着更为严苛的挑战，需要酵母具备更强的耐受性，去应对诸如渗透压、高温、乙醇以及木质纤维素水解物中抑制性化合物等多种恶劣的发酵条件。不仅如此，在其他生物过程和蛋白质表达系统中，酿酒酵母也暴露出了一些问题，比如高糖基化、分泌能力差、异源蛋白折叠错误，以及在面对渗透压和温度压力时相对较弱的鲁棒性。这就好比一位曾经表现出色的运动员，在新的、更具挑战性的比赛项目面前，渐渐力不从心。
为了解决这些问题，科学家们将目光投向了非常规酵母。这些酵母就像是隐藏在角落里的 “潜力股”，它们天生具备耐受各种恶劣环境的能力。像解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）对盐和氧化应激有较好的耐受性，多形汉逊酵母（Ogataea polymorpha）则展现出了出色的耐热性。而在众多非常规酵母中，季也蒙毕赤酵母（Pichia kudriavzevii）近年来备受关注，特别是其中的 LC375240 菌株，它在高温环境下不仅能够茁壮成长，还能高效地生产乙醇，同时对多种胁迫都有着很强的耐受性。但令人遗憾的是，它的耐热分子机制却一直是个未解之谜，这也限制了其在工业领域更广泛、更深入的应用。
为了揭开季也蒙毕赤酵母 LC375240 耐热机制的神秘面纱，广西科学院生物科学与技术研究所等机构的研究人员展开了深入的研究。他们通过转录组分析、基因和生化验证等一系列实验，对这一谜题发起了挑战。最终，他们发现季也蒙毕赤酵母 LC375240 可以通过增强三羧酸循环（TCA）、调节戊糖磷酸途径（PPP）、上调热休克蛋白（HSPs）、增加海藻糖、谷胱甘肽（GSH）和超氧化物歧化酶（SOD）活性等多种适应性机制来有效抵抗热应激。这一发现意义重大，它为我们提供了一个全新的视角去理解非常规酵母的耐热机制，同时也为在工业应用中合理设计和改造更耐热的毕赤酵母菌株奠定了坚实的理论基础，就像是为工业生产中酵母的应用开辟了一条新的光明大道。该研究成果发表在《BMC Biology》杂志上。
研究人员在此次研究中主要运用了以下几种关键技术方法：首先是 RNA 测序（RNA-seq）技术，用于分析不同热处理条件下酵母的基因表达谱，从而全面了解基因表达的变化情况；其次是实时定量逆转录聚合酶链反应（qRT-PCR）技术，对特定基因的表达水平进行验证和定量分析；另外，利用 CRISPR-Cas9 技术构建基因敲除突变体，以此来探究相关基因在酵母耐热过程中的具体功能 。
下面来看具体的研究结果：
- 热处理引发基因表达变化：研究人员对季也蒙毕赤酵母 LC375240 进行短期热休克（SHS，42°C 处理 0.5h）和长期热处理（LHT，42°C 处理 2h），通过 RNA-seq 分析发现，两种处理均引发了全局基因表达变化。SHS 时，共鉴定出 1409 个差异表达基因（DEGs），LHT 时则有 2659 个 DEGs，且 LHT 诱导的基因表达变化更广泛。KOG 功能分类显示，翻译、核糖体结构和生物发生相关基因变化最为显著123。
- 代谢适应：增强 TCA 循环与改变氧化还原稳态：RNA-seq 分析表明，LHT 下 TCA 循环相关基因大多上调，而 SHS 时变化较小。测量细胞内丙酮酸水平发现，LHT 使其显著降低，这表明 TCA 循环在满足热应激下酵母的能量需求中起关键作用。同时，热休克下 PPP 基因下调，NADPH/NADP+比值降低，而谷胱甘肽（GSH）水平升高，这一系列变化重塑了细胞的氧化还原稳态456。
- LHT 下的综合代谢重编程：LHT 诱导了多个代谢途径的基因差异表达，TCA 循环和海藻糖代谢相关基因大多上调，而类固醇生物合成、嘧啶代谢、嘌呤代谢和氨酰 - tRNA 生物合成途径的基因则主要下调，甘油磷脂代谢相关基因有升有降，这体现了酵母在 LHT 下复杂的代谢适应性789。
- 热休克蛋白助力适应热应激：热休克蛋白（HSPs）在保护生物体免受热应激方面起着关键作用。在季也蒙毕赤酵母中，热处理显著上调了 HSP 相关基因的表达。SHS 时，有 3 个 HSP 基因上调；LHT 时，更多 HSP 基因包括 hsf1、ssa2 等表达增加。qRT-PCR 进一步证实了这些基因在 LHT 下的高表达，它们共同作用维持了蛋白质稳态，帮助酵母在高温下存活101112。
- 海藻糖代谢有助于适应热处理：海藻糖在稳定生物膜、蛋白质和核酸方面发挥着重要作用。转录组分析显示，海藻糖生物合成（tps1、tsl1、tps2）和分解代谢（nth1）相关基因在 SHS 和 LHT 下均上调，且 LHT 时表达更高。测量细胞内海藻糖含量发现，热处理后其水平显著增加，表明海藻糖在酵母应对高温过程中起到了重要的保护作用131415。
- 抗氧化防御机制被激活：热休克会加速活性氧（ROS）的产生，可能导致酵母细胞氧化损伤。RNA-seq 分析发现，季也蒙毕赤酵母在 SHS 和 LHT 下，sod1 和 sod2 转录上调，且 LHT 下 sod2 转录更高，SOD 活性也更高。此外，LHT 下多个过氧化物还原酶基因上调，表明酵母依靠 SOD 和过氧化物还原酶维持细胞内氧化还原环境161718。
- 关键基因对耐热性的贡献：通过转录组分析，研究人员筛选出了一些可能在应对热处理中起关键作用的基因，如 hsp78、hsp10、sod2、tsl1 和 nth1 等。利用 CRISPR-Cas9 技术构建这些基因的敲除突变体，实验发现，除 Δhsp10 外，其他突变体在 55°C 热激后的存活率显著低于野生型菌株，这表明热休克蛋白、超氧化物歧化酶和海藻糖代谢对酵母的耐热性有重要贡献192021。
研究结论表明，季也蒙毕赤酵母 LC375240 通过多种机制有效抵抗热应激，这一发现为深入理解该酵母的耐热机制提供了全面的视角。在讨论部分，研究人员进一步强调了这些发现与其他酵母物种的差异，突出了季也蒙毕赤酵母独特的耐热适应策略。同时，研究还指出了一些基因在不同酵母中的功能差异，以及代谢途径变化的独特性。这些研究成果不仅丰富了我们对非常规酵母耐热机制的认识，更为工业应用中酵母菌株的改良和优化提供了宝贵的理论依据，有望推动相关产业的进一步发展。
