β-木糖苷酶及其在纤维素乙醇生产中的应用研究进展

将木质纤维素类生物质生物转化生产液体燃料,如纤维素乙醇和大宗化学品,对缓解当前人类社会面临的能源和资源危机以及保护环境具有重要意义。半纤维素是木质纤维素类生物质的主要组成成分之一,它的生物降解转化对实现木质纤维素生物炼制意义重大。由于半纤维素糖种类的多样性和半纤维素结构的复杂性,需要一个复杂的半纤维素酶系才能完成对半纤维素的有效降解。除了木聚糖酶等以外,β-木糖苷酶也是半纤维素酶系的主要组分。在半纤维素降解过程中,β-木糖苷酶将木聚糖酶的水解产物木寡糖和木二糖水解为木糖,不仅在木聚糖的彻底降解过程中起着重要作用,而且可以缓解木寡糖对木聚糖酶和纤维素酶的抑制作用。该文综述了目前在β-木糖苷酶方面的研究进展,包括β-木糖苷酶的分类、酶学性质、酶结构及其催化机制、基因的克隆与表达等,并对β-木糖苷酶在纤维素乙醇生产中的应用情况进行了简述。     

木糖高效生物转化的新出路

木糖的高效利用是影响木质纤维资源生物炼制经济效益的关键因素之一,也是构建其工业化生产体系的必要前提,但是木糖生物转化面临着重要的技术瓶颈,必须寻求新的思路。基于对木糖利用的现状及产业发展的综合分析,提出了木糖高效发酵制取木糖酸的新出路,论述了本领域首要的科学和技术问题是发酵抑制物的控制与消除;针对抑制物的问题,提出了细胞生理生化、代谢流分析及分子生物学的多层次和多尺度解析的研究方法;在此基础上,基于系统论的观点提出了菌种选育、原料预处理、抑制物控制与脱除、木糖酸高效发酵的技术集成的研究思路。     

酿酒酵母木糖转运基因研究进展

由于对全球变暖等日益严重的环境问题的担忧,生产生物乙醇等清洁能源的技术正受到世界各国越来越多的关注。较之以粮食为原料生产乙醇,木质纤维素生产生物乙醇具有更大的发展潜力,因其来源广泛,廉价且可再生。以木质纤维素生产生物乙醇已经取得长足进步,但仍面临几个主要问题,比如天然酿酒酵母不能利用木糖发酵乙醇,木质纤维素酶成本过高,木质纤维素预处理环节成本高等。已经有基因改造的酵母菌株可以利用戊糖和己糖进行生物乙醇生产。然而,这些菌株对木糖的利用效率很低。这主要是因为酿酒酵母缺乏高效的特异性木糖转运基因,木糖运输依赖已糖转运基因。为了提高木糖利用速度,已有不少方法成功应用于构建重组酵母细胞。现对酵母木糖转运基因的最新研究进展进行简要概述。     

微生物发酵产木聚糖酶研究进展

木聚糖是植物半纤维素的主要成分,是自然界中仅次于纤维素的可再生资源。木聚糖酶是一类重要的木糖苷键水解酶酶系,可将木聚糖逐次降解为低聚木糖及木糖,在饲料、造纸、食品和生物转化等行业应用广泛。目前利用微生物发酵生产木聚糖酶的研究很多,菌种涉及到细菌、真菌等,其发酵生产木聚糖酶的工艺、产量及特性也各有不同,对此进行了综述,并展望了木聚糖酶发酵生产的研究方向。     

二氧化碳人工生物转化

二氧化碳(carbon dioxide, CO₂)资源化利用是全球可持续发展面临的巨大挑战。自然界生物固碳绿色环保,但能效低、速度慢,难以满足工业生产需求;物理化学固碳效率高,但能耗高、产品单一,如何结合生物、物理与化学技术优势,以二氧化碳为原料进行生物转化利用是当前迫切需要解决的科技难题。本文结合中国科学院天津工业生物技术研究所建所10年来的发展,综述了人工固碳元件、途径与系统的设计与构建等前沿基础领域取得的重要进展,特别是首次实现二氧化碳人工合成淀粉,并对建立二氧化碳人工生物转化技术体系进行了展望。相关进展与展望为助力实现“碳达峰、碳中和”目标提供了新思路。     

木质纤维素生物转化产氢技术现状与发展趋势

氢能是一种清洁能源,利用木质纤维素类生物质生产氢气,在生产可再生绿色能源的同时,避免了木质纤维素资源未被充分利用而造成的环境污染和资源浪费,它的开发与应用对人类未来能源与经济发展具有十分重要意义。以下综述了木质纤维素生物转化产氢技术的研究现状,提出了木质纤维素生物转化产氢的总体构想与对产业发展方向的建议。     

低水用量约束条件下的高固体含量纤维乙醇生物加工技术策略

木质纤维素原料生物转化生产纤维乙醇需要使用大量的水和蒸汽,从而使过程能耗和废水排放显著增加,大幅度增加了加工成本。最大限度地降低水和蒸汽用量对过程节能和废水减排并对最终成本控制极为重要。对极限低水用量约束条件下木质纤维素生物转化关键路径进行了实验研究和计算分析,确定了极低水和蒸汽用量的新型预处理技术,实现高效率预处理过程的废水零排放;采用独特的生物脱毒技术,用从自然界筛选的煤油霉菌Amorphotheca resinae ZN1对预处理原料中的抑制物进行了快速生物脱毒;对极限高固体含量下高粘度多相流物系在复杂抑制物胁迫下的酶水解与发酵行为以及放大准则进行了研究;建立了基于Aspen plus平台上的生物质加工物性数据库和严格热力学意义上的全过程流程模拟数学模型,实现了对过程的局部和全局设计与调优。这一综合技术在生物炼制微型工厂中进行了测试,并在纤维素乙醇工业示范装置中得到了应用。该研究结果将为构建具有工业实用价值的节能和清洁化木质纤维素生物转化技术提供依据。     

木质纤维素生物炼制的研究进展

木质纤维素是一种广泛存在的可再生生物质资源,主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。如何更有效地综合利用木质纤维素是当前面临的世界性难题。本文中,笔者梳理了木质纤维素生物化学法转化生产以燃料乙醇为代表的生物基产品,特别是转化过程中关键技术环节的研究现状及难点,深入探讨了木质素的生物转化利用趋势,并综述了合成生物学在这些领域的研究趋势和最新成果。本文力图描绘出木质纤维素生物炼制研究全景,为后续研究提供潜在思路。     

运动发酵单胞菌在生物炼制中的研究进展

以木质纤维素生物质为原料的生物炼制技术已成为全球研发的热点和难点。欧盟国家和美国的中长期生物质能源发展路线图中均将木质纤维素生物炼制技术作为重要目标,但是目前整体水平尚处于中试阶段。我国的纤维素类生物质原料非常丰富,将其转化成燃料乙醇及生物基础化学品等具有较大的潜力,但当前要想实现商业化生产,还面临着很多瓶颈问题亟待解决。缺乏能够同时高效利用纤维素类水解物的发酵菌株,已成为纤维素生物质高效与高值转化的关键制约因素。运动发酵单胞菌是目前唯一一种通过ED途径兼性厌氧发酵葡萄糖的微生物,其独特的代谢途径使其成为构建产乙醇工程菌的优选宿主之一;同时由于该菌具有较高的糖利用效率等优点,也是其他生物基化学品生产的重要候选平台微生物,如山梨醇、葡萄糖酸、丁二酸和异丁醇等。本文从该菌的研究历程、分子生物学基础、菌种改良及该菌在生物能源及生物基化学品等生物炼制体系中的应用研究角度进行了综述,并提出该菌可作为纤维素生物质生物炼制系统的新的重要平台微生物。     

木质纤维素的自然生物转化系统及其过程特征与仿生利用

规模化和产业化开发利用木质纤维素类生物质面临着许多科学和技术上的挑战,这些挑战的核心是如何实现木质纤维素生物质的高效分离与有效转化。然而,在自然界中,不同生物系统分别进化出了其独特的木质纤维素降解与转化的生物过程机制,通过采用不同的策略与途径来克服生物质的抗降解屏障。综述了不同自然生物转化系统在降解生物质过程中的策略与过程特征,并着重分析了食木白蚁肠道消化系统在生物质降解过程中高效转化与利用的独特系统特点。向白蚁生物系统学习,利用自然生物系统的启迪及其相关基因与酶资源,结合生物仿生技术可望建立新型的生物质降解工艺,逐渐实现生物质的低能耗、低污染、高效率、全值化利用。     

辅酶工程在酿酒酵母木糖代谢工程中的研究进展

辅酶工程（cofactor engineering）是代谢工程的一个重要分支,它通过改变辅酶的再生途径,达到改变细胞内代谢产物构成的目的。介绍了酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)木糖代谢工程中,利用辅酶工程解决氧化还原平衡问题的研究进展,包括引入转氢酶系统,增加代谢中可利用的NADPH,实现NADH的厌氧氧化等策略。同时介绍了改变XR、XDH辅酶偏好的研究进展。     

根霉菌利用木质纤维素发酵生产有机酸的研究进展*

木质纤维素是世界上储量最丰富、最廉价的可再生生物质资源,利用木质纤维素发酵生产有机酸具有重大的经济效益及社会效益。为发掘影响木质纤维素利用的关键因素,对根霉菌的木糖代谢途径以及利用木质纤维素发酵生产乳酸、富马酸等重要有机酸的生产方式、发酵策略等进行了阐述,指出针对木糖的转化率是制约木质纤维素高效利用的瓶颈。     

酿酒酵母木糖发酵酒精途径工程的研究进展

途径工程(Pathway engineering),被称为第三代基因工程,改变代谢流向,开辟新的代谢途径是途径工程的主要目的。利用途径工程理念,对酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）代谢途径进行理性设计,以拓展这一传统酒精生产菌的底物范围,使其充分利用可再生纤维质水解物中的各种糖分,是酿酒酵母酒精途径工程的研究热点之一。这里介绍了近年来酿酒酵母以木糖为底物的酒精途径工程的研究进展。     

代谢木糖产乙醇的酿酒酵母工程菌研究进展

随着能源价格的持续上涨, 使用木质纤维素生产燃料乙醇已具有重要的实践意义。木糖是多数木质纤维素水解产物中含量仅次于葡萄糖的一种单糖, 传统乙醇生产菌株酿酒酵母不能利用木糖, 这为使用以木质纤维素为原料发酵生产乙醇带来了困难。多年以来人们试图通过基因工程和细胞融合等方法对其进行改造使其能够代谢木糖生产乙醇。本文主要介绍这方面的研究进展。     

代谢木糖产乙醇的酿酒酵母工程菌研究进展

随着能源价格的持续上涨,使用木质纤维素生产燃料乙醇已具有重要的实践意义.木糖是多数木质纤维素水解产物中含量仅次于葡萄糖的一种单糖,传统乙醇生产菌株酿酒酵母不能利用木糖,这为使用以木质纤维素为原料发酵生产乙醇带来了困难.多年以来人们试图通过基因工程和细胞融合等方法对其进行改造使其能够代谢木糖生产乙醇.本文主要介绍这方面的研究进展.     

Genome sequence of the lignocellulose-bioconverting and xylose-fermenting yeast Pichia stipitis

Xylose is a major constituent of plant lignocellulose, and its fermentation is important for the bioconversion of plant biomass to fuels and chemicals. Pichia stipitis is a well-studied, native xylose-fermenting yeast. The mechanism and regulation of xylose metabolism in P. stipitis have been characterized and genes from P. stipitis have been used to engineer xylose metabolism in Saccharomyces cerevisiae. We have sequenced and assembled the complete genome of P. stipitis. The sequence data have revealed unusual aspects of genome organization, numerous genes for bioconversion, a preliminary insight into regulation of central metabolic pathways and several examples of colocalized genes with related functions. The genome sequence provides insight into how P. stipitis regulates its redox balance while very efficiently fermenting xylose under microaerobic conditions.     

酿酒酵母转化木糖生产化学品的研究进展

木糖的有效利用是木质纤维素生产生物燃料或化学品经济性转化的基础。30年来,通过理性代谢改造和适应性进化等工程策略,显著提高了传统乙醇发酵微生物——酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae的木糖代谢能力。因此,近年来在酿酒酵母中利用木糖生产化学品的研究逐步展开。研究发现,酿酒酵母分别以木糖和葡萄糖为碳源时,其转录组和代谢组存在明显差异。与葡萄糖相比,木糖代谢过程中细胞整体呈现出Crabtree-negative代谢特征,如有限的糖酵解途径活性减少了丙酮酸到乙醇的代谢通量,以及增强的胞质乙酰辅酶A合成和呼吸能量代谢等,这都有利于以丙酮酸或乙酰辅酶A为前体的下游产物的有效合成。文中对酿酒酵母木糖代谢途径改造与优化、木糖代谢特征以及以木糖为碳源合成化学品的细胞工厂构建等方面进行了详细综述,并对木糖作为重要碳源在大宗化学品生物合成中存在的困难和挑战以及未来研究方向进行了总结与展望。     

Xylose isomerase overexpression along with engineering of the pentose phosphate pathway and evolutionary engineering enable rapid xylose utilization and ethanol production by Saccharomyces cerevisiae

Xylose is the main pentose and second most abundant sugar in lignocellulosic feedstocks. To improve xylose utilization, necessary for the cost-effective bioconversion of lignocellulose, several metabolic engineering approaches have been employed in the yeast Saccharomyces cerevisiae. In this study, we describe the rational metabolic engineering of a S. cerevisiae strain, including overexpression of the Piromyces xylose isomerase gene (XYLA), Pichia stipitis xylulose kinase (XYL3) and genes of the non-oxidative pentose phosphate pathway (PPP). This engineered strain (H131-A3) was used to initialize a three-stage process of evolutionary engineering, through first aerobic and anaerobic sequential batch cultivation followed by growth in a xylose-limited chemostat. The evolved strain H131-A3-AL^CS displayed significantly increased anaerobic growth rate (0.203±0.006 h^?1) and xylose consumption rate (1.866 g g^?1 h^?1) along with high ethanol conversion yield (0.41 g/g). These figures exceed by a significant margin any other performance metrics on xylose utilization and ethanol production by S. cerevisiae reported to-date. Further inverse metabolic engineering based on functional complementation suggested that efficient xylose assimilation is attributed, in part, to the elevated expression level of xylose isomerase, which was accomplished through the multiple-copy integration of XYLA in the chromosome of the evolved strain.     

Complete Fermentation of Xylose and Methylglucuronoxylose Derived from Methylglucuronoxylan by Enterobacter asburiae Strain JDR-1

Acid pretreatment is commonly used to release pentoses from the hemicellulose fraction of cellulosic biomass for bioconversion. The predominant pentose in the hemicellulose fraction of hardwoods and crop residues is xylose in the polysaccharide methylglucuronoxylan, in which as many as one in six of the β-1,4-linked xylopyranose residues is substituted with α-1,2-linked 4-O-methylglucuronopyranose. Resistance of the α-1,2-methylglucuronosyl linkages to acid hydrolysis results in release of the aldobiuronate 4-O-methylglucuronoxylose, which is not fermented by bacterial biocatalysts currently used for bioconversion of hemicellulose. Enterobacter asburiae strain JDR-1, isolated from colonized hardwood (sweetgum), efficiently ferments both methylglucuronoxylose and xylose, producing predominantly ethanol and acetate. ¹³C-nuclear magnetic resonance studies defined the Embden-Meyerhof pathway for metabolism of glucose and the pentose phosphate pathway for xylose metabolism. Rates of substrate utilization, product formation, and molar growth yields indicated methylglucuronoxylose is transported into the cell and hydrolyzed to release methanol, xylose, and hexauronate. Enterobacter asburiae strain JDR-1 is the first microorganism described that ferments methylglucuronoxylose generated along with xylose during the acid-mediated saccharification of hemicellulose. Genetic definition of the methylglucuronoxylose utilization pathway may allow metabolic engineering of established gram-negative bacterial biocatalysts for complete bioconversion of acid hydrolysates of methylglucuronoxylan. Alternatively, Enterobacter asburiae strain JDR-1 may be engineered for the efficient conversion of acid hydrolysates of hemicellulose to biofuels and chemical feedstocks.     

Cofermentation of glucose, xylose, and cellobiose by the beetle-associated yeast Spathaspora passalidarum

Fermentation of cellulosic and hemicellulosic sugars from biomass could resolve food-versus-fuel conflicts inherent in the bioconversion of grains. However, the inability to coferment glucose and xylose is a major challenge to the economical use of lignocellulose as a feedstock. Simultaneous cofermentation of glucose, xylose, and cellobiose is problematic for most microbes because glucose represses utilization of the other saccharides. Surprisingly, the ascomycetous, beetle-associated yeast Spathaspora passalidarum, which ferments xylose and cellobiose natively, can also coferment these two sugars in the presence of 30 g/liter glucose. S. passalidarum simultaneously assimilates glucose and xylose aerobically, it simultaneously coferments glucose, cellobiose, and xylose with an ethanol yield of 0.42 g/g, and it has a specific ethanol production rate on xylose more than 3 times that of the corresponding rate on glucose. Moreover, an adapted strain of S. passalidarum produced 39 g/liter ethanol with a yield of 0.37 g/g sugars from a hardwood hydrolysate. Metabolome analysis of S. passalidarum before onset and during the fermentations of glucose and xylose showed that the flux of glycolytic intermediates is significantly higher on xylose than on glucose. The high affinity of its xylose reductase activities for NADH and xylose combined with allosteric activation of glycolysis probably accounts in part for its unusual capacities. These features make S. passalidarum very attractive for studying regulatory mechanisms enabling bioconversion of lignocellulosic materials by yeasts.