近日，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所微生物資源團(tuán)隊(duì)李福利研究員和王士安博士在釀酒酵母菊芋乙醇整合生物加工研究方面取得了一系列階段性進(jìn)展。
菊芋又名洋姜，是一種新型能源植物，其土壤適應(yīng)性強(qiáng)、無(wú)病蟲(chóng)害，可以在干旱、鹽堿等非耕邊際土地種植。以菊芋或菊芋工業(yè)廢渣為原料生產(chǎn)乙醇，是發(fā)展燃料乙醇的重要方向之一。菊芋中可以轉(zhuǎn)化為乙醇的主要多糖成分是菊糖，通過(guò)整合生物加工工藝將菊糖酶產(chǎn)生、菊糖水解和乙醇發(fā)酵整合為同一過(guò)程，可以直接發(fā)酵菊芋生產(chǎn)燃料乙醇。
釀酒酵母是乙醇規(guī)?；a(chǎn)的最佳菌種，但以往發(fā)現(xiàn)的釀酒酵母菌株不具有菊糖水解能力。李福利等通過(guò)酵母菌資源篩選和抗逆性評(píng)價(jià)，獲得了一株溫度耐受性菊糖代謝釀酒酵母菌株，該菌株在40 C下發(fā)酵200 g/L菊芋粉，產(chǎn)乙醇65.2 g/L, 乙醇得率為79.7%，這是目前報(bào)道的非工程釀酒酵母菊芋乙醇發(fā)酵的最高產(chǎn)量和得率。傳統(tǒng)乙醇發(fā)酵溫度為30 C至35 C，發(fā)酵溫度提高5 C可以顯著降低成本，能夠在40 C下正常發(fā)酵體現(xiàn)了該菌株的優(yōu)勢(shì)。相關(guān)研究成果發(fā)表在Appl Microbiol Biotechnol (2012) 95:1359–1368，并獲得1項(xiàng)中國(guó)發(fā)明授權(quán)專利(ZL201010111324.4)。
菊糖代謝釀酒酵母菌株的發(fā)現(xiàn)，突破了通常認(rèn)為釀酒酵母不能代謝菊糖的觀點(diǎn)。那么，釀酒酵母中哪種酶催化了菊糖的水解？應(yīng)用分子生物學(xué)和遺傳學(xué)方法，李福利等揭示了釀酒酵母中負(fù)責(zé)菊糖水解的關(guān)鍵酶是一種外切轉(zhuǎn)化酶SUC2，屬國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)釀酒酵母菊糖水解酶。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在Appl Environ Microbiol (DOI:10.1128/AEM.02658-12)。
在菊糖代謝酵母菌資源篩選中，還獲得了一株高效菊糖代謝酵母新種，通過(guò)蛋白純化和基因克隆，揭示了該菌株的新菊糖酶和菊糖酶基因。與目前應(yīng)用最為廣泛的馬克思克魯維酵母的外切菊糖酶基因相比，新菊糖酶基因在釀酒酵母中游離表達(dá)后，轉(zhuǎn)化子表現(xiàn)了更高的菊糖代謝能力。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在Appl Microbiol Biotechnol (DOI 10.1007/s00253-012-4108-y)。
釀酒酵母菊糖水解酶和新菊糖酶的發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步發(fā)展菊芋乙醇整合生物加工菌種提供了新思路。高聚合度的菊糖分子是釀酒酵母菊糖發(fā)酵的主要限制因素，如果在釀酒酵母中引入外源內(nèi)切菊糖酶基因，借助內(nèi)切酶的作用將高聚合度菊糖切割為低聚合度的寡糖，這些寡糖分子很容易被外切酶水解，從而提高菊糖的水解效率和菊芋乙醇發(fā)酵效率?；谶@一設(shè)想，李福利等正在開(kāi)展釀酒酵母內(nèi)切菊糖酶基因的外源表達(dá)研究，為了進(jìn)一步提高釀酒酵母外切菊糖酶活力，同時(shí)引入新菊糖酶基因。下一階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)釀酒酵母工程菌株在40 C且菊芋粉大于200 g/L條件下，菊芋乙醇發(fā)酵的乙醇得率從79.7%提高到90%以上，并將這一項(xiàng)目推進(jìn)到中試階段。
圖1. 菊芋乙醇釀酒酵母菌株
(A) 菊糖代謝釀酒酵母菌株篩選; (B) 不同溫度菊芋粉發(fā)酵
圖2. 釀酒酵母菊糖水解酶的發(fā)現(xiàn)
(A) 釀酒酵母菊糖水解酶的純化；(B) 基因敲除載體；(C) 菊糖水解酶的酶解動(dòng)態(tài)
原文鏈接：
1. Appl Microbiol Biotechnol, 2012, 95:1359–1368.
http://www.springerlink.com/content/mm26x2v824wl17n6/
2. Appl Microbiol Biotechnol,available online 24 May 2012, DOI 10.1007/s00253- 012-4108-y.
http://www.springerlink.com/content/84533v34l6582747/
3. Appl Environ Microbiol, available online26 Oct 2012, DOI: 10.1128/?AEM. 02658-12
http://aem.asm.org/content/early/2012/10/22/AEM.02658-12.full.pdf+html
