Physiological and metabolic flux screening of Saccharomyces cerevisiae single knockout mutants on different carbon sources

Abstract

A novel method for high-throughput stoichiometric and metabolic flux profiling was developed and a set of deletion mutants of S. cerevisiae, which are known to be involved in central carbon metabolism were selected and investigated on glucose, galactose and fructose. On glucose and fructose, the growth was predominantly fermentative and on galactose, respiration was more active. mae1D strain did not show any significant growth phenotype on glucose, however, it had highest PPP flux on galactose, which could be due to redirection of NADPH production to the PPP. On fructose, mae1D strain had highest oxygen uptake rate with very low ethanol yield, which could be due to reduced PPP flux and to maintain NADPH levels either via NADPH specific -isocitrate dehydrogenase or -aldehyde dehydro-genase. imp2'D strain had lowest PPP flux and very high respiratory activity on galactose; and pck1D strain had lowest PPP flux on glucose, which might also point to a possible activation of malic enzyme. On fructose, hxt17D strain had highest sugar consumption and ethanol production rates and imp2'D strain had highest ethanol yield. The functional prediction of hypothetical genes by utilising this quantitative data using computational analyses suggested a possible role in glycolysis or pyruvate metabolism for YBR184W and low affinity transporter role for YIL170W.

Es wurde eine neue Hochdurchsatzmethode für die Charakterisierung der Stöchiometrie und der metabolischen Flüsse entwickelt und auf ausgewählte Deletionsmutanten des Zentralstoffwechsels von S. cerevisiae angewendet, wobei Glucose, Galactose und Fructose als Substrate eingesetzt wurden. Während auf Glucose und Fructose das Wachstum vorwiegend fermentativ war, war es auf Galactose mehr respirativ. Der mae1D Stamm zeigte keinen Phänotyp auf Glucose, hatte aber auf Galactose einen sehr hohen Fluss in den Pentosephosphatweg (PPP) mit entsprechend hoher Bereitstellung von NADPH und auf Fructose die höchste Sauerstoffaufnahmerate mit zugleich sehr niedriger Ethanolausbeute, was auf einen reduzierten Fluss in den PPP und verstärkte Bildung von NADPH über die Isocitratdehydrogenase oder die Aldehyddehydrogenase hindeutet. Der imp2'D Stamm hatte einen sehr niedrigen PPP-Fluss und starke Respiration auf Galactose. Der pck1D Stamm hatte die niedrigsten PPP Fluss auf Glucose, was auf eine Aktivierung des Malatenzyms hindeutet. Auf Fructose zeigte der hxt17D Stamm höchste Zuckerverbrauchs- und Ethanolproduktionsraten und imp2'D hatte die höchste Ethanolausbeute. Numerische Analysen erlaubten eine erste Vorhersage möglicher Funktionen zweier hypothetischer Gene, in der Glykolyse oder im Pyruvatmetabolismus für YBR184W und als niedrig affinen Transporter für YIL170W.