LIU W. New findings on the role of GND1, RIB6, RFE1 and some other genes on riboflavin oversynthesis of the yeast Candida famata

У дисертаційній роботі досліджено вплив низки генів, що беруть участь у синтезі вітаміну В2, його попередника рибулозо-5-фосфату та екскреції цього вітаміну в середовище, на продукцію рибофлавіну флавіногенними дріжджами Candida famata та подальшого застосування цих знань для створення стабільних надпродуцентів рибофлавіну. Аналіз ринку, опублікований Straits Research, показує, що світовий ринок рибофлавіну досяг приблизно 13,46 мільярда доларів США у 2023 році (Riboflavin market size, share 2023-2031, n.d.). Виробництво рибофлавіну шляхом мікробної ферментації має такі переваги, як низька вартість виробництва, короткий час виробництва та використання відновлюваних ресурсів, таких як цукор або рослинна олія, порівняно з хімічним синтезом (Richter et al., 1997; Hohmann et al., 1998; Stahmann et al., 2000; Liu et al., 2023). Тому в останні десятиліття хімічний синтез рибофлавіну був повністю заміщений мікробною ферментацією (Schwechheimer et al., 2016). На сьогодні, промислове виробництво рибофлавіну здійснюється з використанням рекомбінантних штамів цвілевих грибів Ashbya gossypii та бактерій Bacillus subtilis (Abbas and Sibirny, 2011; Kato and Park, 2012; Liu et al., 2020; You et al., 2021; Wang et al., 2021). Шлях біосинтезу рибофлавіну починається з двох безпосередніх попередників, гуанозинтрифосфату (GTP), що походить від шляху біосинтезу пуринів, і рибулозо-5-фосфату (Ru5P), що походить від окисної ланки пентозофосфатного шляху (PPP) (Bacher et al., 2000; Abbas and Sibirny, 2011). Тому метою цієї роботи було дослідження впливу генів, залучених у пентозофосфатний шлях, а також нових факторів в регуляцію біосинтезу рибофлавіну C. famata. Ми виявили, що надекспресія гена GND1 забезпечує підвищення синтезу рибофлавіну трансформантами приблизно в два рази. Вперше описано позитивний вплив 6-фосфоглюконатдегідрогенази на біосинтез рибофлавіну флавіногенними дріжджами. Надекспресія гена ZWF1 викликає протилежний ефект і зумовлює зниження швидкості росту та рівня продукції рибофлавіну. Причини цього феномену залишаються нез’ясованими. Було сконструйовано рекомбінантні штами C. famata шляхом одночасної надекспресії трьох генів: GND1, RIB6 та RFE1, які кодують 6PGDH, DHBP-синтазу та екскретазу рибофлавіну, відповідно. Експресія різних комбінацій двох генів, а також коекспресія всіх трьох генів призводила до збільшення продукції рибофлавіну в C. famata VKM Y-9 у різних середовищах. Було показано, що рекомбінантний штам, з коекспресією трьох генів, характеризувався 3,3-кратним зростанням продукції рибофлавіну в сироватці порівняно з вихідним штамом. Іншою частиною роботи було конструювання мутанта C. famata з пошкодженим геном VMA1, який кодує α-субодиницю вакуолярної АТФ-ази (Förster et al., 1999, 2001). Мутант vma1Δ виявляв 9,4-кратне збільшення продукції рибофлавіну порівняно з вихідним штамом L2. Подібний ефект було продемонстровано для флавіногенних дріжджів Picha guilliermondi (Boretsky et al., 2011). Слід зазначити, що фактор транскрипції Sef1 (кодується геном SEF1) є одним із позитивних регуляторів біосинтезу рибофлавіну у флавіногенних дріжджів, зокрема у C. famata (Dmytruk et al., 2006). У дисертації також досліджено вплив промоторів гена SEF1 різних дріжджів на продукцію рибофлавіну. Ми виявили, що рекомбінантні штами, які експресують ген SEF1 під контролем промоторів з дріжджів C. famata, Candida albicans і Candida tropicalis збільшували продукцію рибофлавіну в 18,8, 19,4 і 13,5 разів порівняно з вихідним штамом L2, відповідно. У дисертаційній роботі описано конструювання рекомбінантного штаму V9/RFE1-RIB6-GND1 з коекспресією генів REF1, RIB6, та GND1. Штам V9/RFE1-RIB6-GND1 характеризувався збільшеною продукцією рибофлавіну при культивування в середовищі на основі молочної сироватки. Дріжджі C. famata тривалий час використовувалися у промисловому виробництві вітаміну В2, що підкреслює їх потенціал у промисловому застосуванні. Триває робота в напрямку ідентифікації нових факторів, що залучені в регуляцію синтезу рибофлавіну. Експериментальні дані, отримані при виконані цієї дисертаційної роботи, є важливими для розуміння окремих механізмів контролю біосинтезу рибофлавіну. Отримані результати є передумовою створення високопродуктивних стабільних продуцентів рибофлавіну. Застосування молочної сироватки, що належить до відходів молочної промисловості, як субстрату для культивування дріжджових продуцентів вітаміну В2, здешевлює процес виробництва та водночас вирішує питання утилізації відходів сирного виробництва.