适合甘蔗汁发酵高产酒精酵母的选育

目的:选育出适合发酵甘蔗汁生产燃料乙醇的高产酿酒酵母的菌株.方法:以酵母菌株 YS,作为出发菌株,将酶解破壁后获得的原生质体进行紫外诱变,通过初筛和复筛进行选育.结果:获得一株高产酒精的酿酒酵母突变株 YSs-1,该突变株发酵甘蔗汁的乙醇含量可达12.6%(V/V),较出发菌株的 11.6%(V/V)提高了 8.6%,其糖的转化率高达 94.5%,高于出发菌株的 87.0%.结论:通过 5 次连续传代培养后其突变株的乙醇产量保持稳定,表明该突变株完全可以用于发酵甘蔗汁生产燃料乙醇.     

产肌醇酿酒酵母基因工程菌的构建

【目的】过表达酿酒酵母肌醇合成关键酶基因INO1,促进肌醇合成,构建能够分泌肌醇的基因工程菌株。【方法】构建r DNA介导的INO1基因多拷贝整合表达载体p URIH,电转化酿酒酵母Y01菌株,构建工程菌株YI2-1和YI2-2,荧光定量PCR方法分析INO1基因表达量。敲除Kan MX抗性基因,HPLC检测重组菌发酵液中肌醇含量。【结果】获得INO1基因过表达菌株YI2-1和YI2-2,YI2-1的INO1基因表达量是出发菌Y01的16.235倍。敲除Kan MX抗性基因的菌株命名为YI2-1△KP,初步检测YI2-1△KP产肌醇量为627 mg/L。【结论】r DNA介导的INO1基因多拷贝整合表达载体p URIH能够有效地过表达目的基因;过表达菌株合成的肌醇不仅能满足自身的需要,而且能够向胞外分泌,具有潜在的工业应用价值。     

过表达MRP8提高酿酒酵母乙酸耐性及乙醇发酵效率

乙酸是木质纤维素水解液中含量较多的抑制物,因此提高酿酒酵母菌株对乙酸的耐受性有助于提高纤维素乙醇生产效率。本文中,笔者利用基于CRISPR/Cas9系统的基因组编辑技术过表达了酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)S288c线粒体核糖体蛋白编码基因MRP8,并比较了过表达MRP8的菌株与对照菌株的生长和发酵特性。平板耐性检测发现,MRP8过表达明显提高了菌株的乙酸胁迫耐受性;乙醇发酵结果表明,在4.8 g/L乙酸胁迫条件下,过表达菌株MRP8-3在51 h消耗全部的葡萄糖,发酵时间缩短了25 h,显著优于相同时间的对照菌株。本研究结果为构建高效纤维素乙醇发酵的酿酒酵母菌株提供了新思路。     

利用人工锌指文库选育高乙醇耐受性工业酵母菌株

选育高乙醇耐性的酿酒酵母菌株对提高燃料乙醇的发酵效率具有重要意义.锌指蛋白广泛存在于多种生物中,对基因的转录和翻译起重要的调节作用.利用人工设计的锌指蛋白可定向设计锌指序列及其排列顺序,实现对细胞内多个基因的全局调控.由于与环境胁迫反应相关的基因很多,因此可利用人工锌指蛋白技术获得耐受性提高的微生物重组菌.文中将人工锌指文库转入到酿酒酵母模式菌株S288c,选育了具有高乙醇耐受性的重组菌株M01,并分离了与乙醇耐受性提高相关的人工锌指蛋白表达载体pRS316ZFP-M01,转入工业酿酒酵母Sc4126,在含有不同浓度乙醇的平板上,工业酵母Sc4126的重组菌株表现出显著的耐受性提高.在高糖培养基(250 g/L)条件下进行乙醇发酵,发现重组菌的乙醇发酵效率明显快于野生型,发酵时间提前24 h,且发酵终点乙醇浓度提高6.3％.结果表明人工锌指文库能够提高酵母的乙醇耐受性,为构建发酵性能优良的酵母菌种奠定了基础.     

定向进化Rho1提高酿酒酵母的乙醇耐受性和超高浓度乙醇发酵性能

燃料乙醇发酵过程中酿酒酵母细胞活性被高浓度乙醇严重抑制而导致发酵提前终止，生产强度严重降低，因此构建同时具有高耐受性、高发酵性能的菌株一直是发酵工业追求的目标。选取酿酒酵母细胞形态调节关键基因小GTP酶家族成员Rho1,构建易错PCR产物文库，以酿酒酵母S288c为出发菌株采取“富集-自然生长-复筛”的筛选策略，成功筛选得到两株乙醇胁迫耐受性与发酵性能均提高的突变株M2和M5。测序发现突变株过表达的Rho1序列出现了3～5个氨基酸的突变和大片段的缺失突变。以300 g/L起始葡萄糖进行乙醇发酵，72 h时，M2和M5的乙醇滴度比对照菌株分别提高了19.4%和22.3%,超高浓度乙醇发酵能力显著提高。本研究为利用蛋白定向进化方法改良酵母菌复杂表型提供了新的作用靶点。     

混合糖发酵重组酿酒酵母的菌株构建和菊芋秸秆同步糖化发酵研究

【目的】构建可用于纤维素乙醇高效生产的混合糖发酵重组酿酒酵母菌株,并利用菊芋秸秆为原料进行乙醇发酵。【方法】筛选在木糖中生长较好的酿酒酵母YB-2625作为宿主菌,构建木糖共代谢菌株YB-2625 CCX。进一步通过r DNA位点多拷贝整合的方式,以YB-2625 CCX为出发菌株构建木糖脱氢酶过表达菌株,并筛选得到优势菌株YB-73。采用同步糖化发酵策略研究YB-73的菊芋秸秆发酵性能。【结果】YB-73菌株以90 g/L葡萄糖和30 g/L木糖为碳源进行混合糖发酵,乙醇产量比出发菌株YB-2625 CCX提高了13.9%,副产物木糖醇产率由0.89 g/g降低至0.31 g/g,下降了64.6%。利用重组菌YB-73对菊芋秸秆进行同步糖化发酵,48 h最高乙醇浓度达到6.10%(体积比)。【结论】通过转入木糖代谢途径以及r DNA位点多拷贝整合过表达木糖脱氢酶基因可有效提高菌株木糖发酵性能,并用于菊芋秸秆的纤维素乙醇生产。这是首次报道利用重组酿酒酵母进行菊芋秸秆原料的纤维素乙醇发酵。     

过表达tRNA基因tL(CAA)K提高酿酒酵母乙酸耐受性

乙酸是木质纤维素类生物质水解液中的常见毒性抑制物,选育乙酸耐受性好的酿酒酵母菌株,有利于高效利用木质纤维素类生物质,发酵生产生物燃料和生物基化学品。目前对酿酒酵母抗逆性的研究多集中在转录水平,但对转运RNA (Transfer RNA,tRNA) 在耐受性中的作用研究较少。在对酿酒酵母抗逆性研究过程中发现,一些转运RNA基因在耐受性好的酿酒酵母菌株中转录明显上调。本文深入分析了精氨酸tRNA基因tR(ACG)D和亮氨酸tRNA基因tL(CAA)K过表达对酿酒酵母耐受木质纤维素水解液的影响。结果表明,在4.2 g/L乙酸胁迫条件下进行乙醇发酵时,过表达tL(CAA)K的菌株生长和发酵性能均优于对照酵母菌株,乙醇生产强度比对照菌株提高了29.41%,但过表达tR(ACG)D基因的菌株生长和代谢能力较对照菌株明显降低,体现了不同tRNA的不同调控作用。进一步分析发现,过表达tL(CAA)K的重组酵母菌株乙酸耐受性调控相关基因HAA1、MSN2和MSN4等胁迫耐受性相关转录因子编码基因的转录水平上调。本文的研究为选育高效利用木质纤维素资源进行生物炼制的酵母菌株提供了新的改造策略,也为进一步揭示酿酒酵母tRNA基因表达调控对抗逆性的影响提供了基础。     

过表达长链鞘氨醇激酶基因LCB4提高酿酒酵母抑制物耐受性

木质纤维素预处理过程中产生的有毒副产物严重影响了纤维素乙醇发酵,提高酿酒酵母抑制物耐受性是提高纤维素乙醇发酵效率的有效方法。文中通过过表达LCB4基因,研究了重组菌株S288C-LCB4在乙酸、糠醛和香草醛胁迫下的细胞生长和乙醇发酵性能。结果表明,LCB4过表达菌株在分别含有10 g/L乙酸、1.5 g/L糠醛和1 g/L香草醛的平板中生长均优于对照菌株;在分别含有10 g/L乙酸、3 g/L糠醛和2 g/L香草醛的液体乙醇发酵过程中,重组菌株S288C-LCB4乙醇发酵产率分别为0.85 g/(L·h)、0.76 g/(L·h)和1.12 g/(L·h),比对照菌株提高了34.9%、85.4%和330.8%;且糠醛和香草醛胁迫下发酵时间分别缩短了30 h和44 h。根据发酵终点发酵液代谢物分析发现重组菌株比对照菌株产生了更多甘油、海藻糖和琥珀酸,这些物质有利于增强菌株的抑制物耐受性。综上所述,LCB4基因过表达可显著提高酿酒酵母S288C在乙酸、糠醛和香草醛胁迫下的乙醇发酵性能。     

代谢工程与全基因组重组构建酿酒酵母抗逆高产乙醇菌株

将酿酒酵母海藻糖代谢工程与全基因组重组技术相结合,改良工业酿酒酵母菌株的抗逆性和乙醇发酵性能。对来源于二倍体出发菌株Zd4的两株优良单倍体Z1和Z2菌株进行杂交获得基因组重组菌株Z12,并对Z1和Z2先进行(1)过表达海藻糖-6-磷酸合成酶基因 (TPS1) ,(2)敲除海藻糖水解酶基因 (ATH1), (3)同时过表达 TPS1和敲除ATH1, 经此三种基因工程操作后再进行杂交获得代谢工程菌株的全基因组重组菌株Z12ptps1、Z12 Δath1和Z12pTΔA。与亲株Zd4相比,Z12及结合代谢工程获得的菌株在高糖、高乙醇浓度与高温条件下生长与乙醇发酵性能都有不同程度的改进。对比研究结果表明:在高糖发酵条件下,同时过表达 TPS1和敲除ATH1 的双基因操作工程菌株胞内海藻糖积累、乙醇主发酵速率和乙醇产量相对于亲株的提高幅度要大于只过表达 TPS1,或敲除ATH1 的工程菌。结合了全基因组重组后获得的二倍体工程菌株Z12pTΔA,与原始出发菌株Zd4及重组子Z12相比,主发酵速率分别提高11.4%和6.3%,乙醇产量提高7.0%和4.1%,与其胞内海藻糖含量高于其它菌株、在胁迫条件下具有更强耐逆境能力相一致。结果证明,海藻糖代谢工程与杂交介导的全基因组重组相结合,是提高酿酒酵母抗逆生长与乙醇发酵性能的有效策略与技术途径。     

絮凝基因FLO1及FLO1c高表达提高工业酿酒酵母乙酸耐受性及发酵性能

乙酸是生物质乙醇发酵过程中酵母细胞面临的重要抑制剂之一,对细胞生长及发酵性能有强烈的抑制作用。增强酵母菌对乙酸胁迫的耐受性对提高乙醇产率具有重要意义。用分别带有完整絮凝基因FLO1及其重复序列单元C发生缺失的衍生基因FLO1c的重组表达质粒分别转化非絮凝型工业酿酒酵母CE6,获得絮凝型重组酵母菌株6-AF1和6-AF1c。同时以空载体p YCPGA1转化CE6的菌株CE6-V为对照菌株。与CE6-V相比,絮凝酵母明显提高了对乙酸胁迫的耐受性。在0.6%(V/V)乙酸胁迫下,6-AF1和6-AF1c的乙醇产率分别为对照菌株CE6-V的1.56倍和1.62倍;在1.0%(V/V)乙酸胁迫下,6-AF1和6-AF1c的乙醇产率分别为对照菌株CE6-V的1.21倍和1.78倍。可见絮凝能力改造能明显提高工业酿酒酵母的乙酸胁迫耐受性及发酵性能,而且FLO1内重复序列单元C缺失具有更加明显的效果。     

液泡蛋白酶B对酿酒酵母高温乙醇发酵效率的影响

【目的】提高酿酒酵母的高耐温性,从而提高菌株在高温下的乙醇发酵性能。【方法】利用染色体整合过表达酿酒酵母液泡蛋白酶B编码基因PRB1。【结果】在41 °C高温条件下进行乙醇发酵,过表达PRB1基因的重组酿酒酵母菌株可在31 h内消耗全部的葡萄糖,而对照菌株在相同时间内仅消耗不到一半的葡萄糖。【结论】利用蛋白酶B基因过表达可构建耐高温酿酒酵母菌株,提高在高温条件下乙醇的发酵效率。     

代谢工程改造酿酒酵母合成肌醇

【目的】肌醇别名环己六醇,是一种具有生物活性的糖醇,在医药、食品和饲料等领域具有重要的应用价值。为获得生产肌醇的微生物细胞工厂,通过代谢工程改造,构建生产肌醇的酿酒酵母工程菌株。【方法】对酿酒酵母肌醇合成途径的正负调控同时改造,过表达肌醇-3-磷酸合成酶基因ino1,敲除肌醇生物合成的转录抑制子基因opi1和抗性基因kan MX,获得重组菌。利用气相色谱法检测重组菌发酵液中肌醇含量。【结果】构建了生物安全性的产肌醇基因工程菌株,摇瓶培养产量为1.021 g/L。【结论】通过过表达ino1和敲除opi1来改造酿酒酵母,能够有效提高重组菌的肌醇产量,为下一步的微生物发酵法产肌醇的工业应用奠定基础。     

利用SPT3的定向进化提高工业酿酒酵母乙醇耐受性

利用对转录因子的定向进化可对多基因控制的性状进行有效的代谢工程改造。本研究对酿酒酵母负责胁迫相关基因转录的SAGA复合体成分SPT3编码基因进行易错PCR随机突变,并研究了SPT3的定向进化对酿酒酵母乙醇耐性的影响。将SPT3的易错PCR产物连接改造的pYES2.0表达载体并转化酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae4126,构建了突变体文库。通过筛选在高浓度乙醇中耐受性提高的突变株,获得了一株在10%(V/V)乙醇中生长较好的突变株M25。该突变株利用125g/L的葡萄糖进行乙醇发酵时,终点乙醇产量比对照菌株提高了11.7%。由此表明,SPT3是对酿酒酵母乙醇耐性进行代谢工程改造的一个重要的转录因子。     

分别利用产甘油假丝酵母抗逆转录因子CgSTB5和CgSEF1对酿酒酵母菌株糠醛耐受改造

【背景】纤维素是生物转化解决能源问题的主要原料之一,其水解物中存在严重影响抑制菌株生长的糠醛,需脱毒才可应用于发酵,提高菌株耐受性是解决纤维素水解液实际生产应用的关键。【目的】酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是主要的纤维素水解液发酵工业菌株,但糠醛耐受性较低,通过分子改造获得具有高糠醛耐受性的菌株。【方法】利用新获得的产甘油假丝酵母(Candidaglycerinogenes)的相关抗逆转录因子CgSTB5、CgSEF1和CgCAS5,通过分子技术进行S.cerevisiae改造,考察其对酿酒酵母糠醛耐受性的影响,并尝试应用于未脱毒纤维素乙醇发酵。【结果】单个表达CgSTB5和CgSEF1的酿酒酵母,通过菌株点板实验表明菌株的糠醛耐受性提高25%以上,并且摇瓶发酵结果显示糠醛降解性能明显提高,生长延滞期明显缩短,S.cerevisiae W303/p414-CgSTB5的未脱毒纤维素乙醇发酵生产效率提高12.5%左右。【结论】转录因子CgSTB5和CgSEF1均能对提高酿酒酵母糠醛耐受性起到重要作用,并且有助于提高酿酒酵母菌株未脱毒纤维素乙醇发酵性能。     

过表达NADH激酶基因对酿酒酵母乙醇发酵的影响

甘油是酿酒酵母乙醇代谢途径中的主要副产物,降低甘油生成,可以提高乙醇的产率和原料的利用率。以工业酒精酵母单倍体S1(MATa)为研究对象,构建了一个4.5 kb左右的基因敲除突变盒gpd2Δ::PGK1PT-POS5-HyBR,利用醋酸锂转化法转入S1,得到重组菌S3(gpd2Δ::PGK1PT-POS5-HyBR),使得工业酒精酵母在敲除GPD2的同时整合过表达了NADH激酶基因POS5。结果表明,在150 g/L的葡萄糖摇瓶发酵实验中,重组菌S3在不影响菌株生理特性的条件下,乙醇得率(g ethanol/g glucose)比原始菌株S1提高了8%,甘油得率(g glycerol/g glucose)降低了33.64%。本研究证明过表达NADH激酶基因可降低乙醇发酵中副产物甘油的生成并提高乙醇得率。     

酿酒酵母乙醇耐受性的研究进展

生物乙醇作为一种可再生的清洁能源,正在引起人们的广泛关注.酿酒酵母是乙醇生产中最常用的发酵菌株,但是乙醇耐受性往往成为限制酿酒酵母菌乙醇产量的重要因素.选育耐受高浓度乙醇的酵母菌株对于提高乙醇产率具有重要意义.然而传统的菌株改良方法具有育种周期长,突变方向不定等缺点.主要综述了近年来国内外对酿酒酵母菌耐受乙醇的分子生物学机理方面的研究成果,进而总结了提高酿酒酵母乙醇耐受性的基因工程、代谢工程.     

系列过表达非氧化磷酸戊糖途径基因对重组酿酒酵母菌株木糖代谢的影响

【目的】通过系统研究一个、两个及多个非氧化磷酸戊糖(PP)途径基因组合过表达对酿酒酵母木糖代谢的影响,以优化重组菌株的构建过程,构建高效的木糖代谢酿酒酵母菌株。【方法】在酿酒酵母中双拷贝过表达上游代谢途径的关键酶(木糖还原酶XR,木糖醇脱氢酶XDH,木酮糖激酶XKS),在此基础上构建了一系列PP途径基因过表达菌株,并对其木糖发酵性能进行比较研究。【结果】木糖发酵结果显示,不同组合过表达PP途径基因能不同程度改善重组菌株的木糖发酵性能。其中,过表达PP途径全部基因(RKI1,RPE1,TAL1和TKL1)使菌株的发酵性能最优,其乙醇产率和产量较对照菌株分别提高了39.25%和12.57%,同时较其他基因组合过表达菌株也有不同程度的改善。【结论】通过构建PP途径基因不同组合过表达酿酒酵母菌株,首次对PP途径基因对酿酒酵母木糖代谢的影响进行了系统研究,结果表明,不同组合强化PP途径基因对重组菌株木糖代谢的影响存在差异,相对于其他基因过表达组合,同步过表达PP途径全部基因最有利于碳通量流向乙醇。     

用基因组改组技术改良发酵木糖酵母Candida tropicalis XY-19的耐乙醇性能

Candida tropicalis XY-19是一株具有优良乙醇发酵性能的发酵木糖酵母,其发酵葡萄糖产乙醇性能与目前酒精工业生产菌种--安琪酒精酵母相近,但XY-19的耐乙醇性能远比安琪酒精酵母差,XY-19在含有超过7%(v/v)乙醇的培养基中不能生长。以XY-19为出发菌株,经紫外线诱变获得了5株能在7.5%(v/v)乙醇的培养基中旺盛生长的突变株,经Co-60诱变获得了8株能在含8%(v/v)乙醇的培养基中旺盛生长的突变株。然后,以紫外线诱变得到的5株菌和Co-60诱变得到的8株菌及耐乙醇性能较好的酿酒酵母(S.cerevisae Angel,S.cerevisae4608和S.cerevisae172)为出发菌株,经过4轮Genome shuffling结合木糖乙醇梯度平板的筛选,获得了4株(G3-13,G3-18,G3-57和G3-60)能够在12%乙醇平板上生长的菌株,其乙醇耐受性比野生菌株XY-19提高了71%,为将XY-19进一步开发成纤维质乙醇发酵的生产菌种奠定基础。本研究结果进一步体现了Genome shuffling技术在改良如乙醇耐受性等多基因控制性状上的突出优势,为工业生产菌种的快速有效改良提供了一种有效的方法。     

紫外诱变结合驯化提高酿酒酵母对抑制物耐受性

[目的]提高工业酿酒酵母Sc4126对木质纤维素预处理过程中产生的发酵抑制物的耐受性。[方法]采用紫外诱变结合驯化对工业酿酒酵母Sc4126进行选育,对筛选出的三株菌株Sc4126-1、Sc4126-2、Sc4126-3在复合抑制剂和单一抑制剂存在下对比考查其发酵性能。[结果]相比原始菌株,3株菌株对抑制剂的耐受性均不同程度地提高。在复合抑制剂存在下,优势菌株Sc4126-1发酵时间为48 h,乙醇平均产率0.19 g/L·h,而原始菌株Sc4126发酵时间138 h,乙醇平均产率0.06 g/L·h,相比原始菌株,优势菌株发酵时间缩短65.22%,乙醇平均产率提高2.17倍。对于单一抑制剂,改造后的菌株对糠醛、香草醛的耐受性明显提高,而对乙酸的耐受性提高较少。[结论]通过紫外诱变结合驯化的方法,有效提高了工业酿酒酵母Sc4126对抑制剂的耐受性。     

酿酒酵母Mbp1缺陷型菌株的构建及其乙醇发酵特性

【目的】研究酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)工业菌株Mbp1基因的功能,探讨Mbp1基因对酿酒酵母乙醇发酵性能的影响。【方法】以酿酒酵母MF1015为出发菌株,用PCR方法构建Mbp1基因敲除组件Loxp-KanMX-Loxp,将敲除组件转化两种配型的酿酒酵母单倍体,通过单倍体复倍获得敲除Mbp1基因的二倍体突变菌株,研究突变菌株形态变化及乙醇发酵特性。【结果】敲除Mbp1基因后突变菌株生长曲线无显著变化,出芽率降低,细胞体积增大19.2%,对饥饿更敏感,较早出现假菌丝。甘蔗糖蜜在静置条件下发酵,突变菌株的乙醇产量明显低于野生型;在130 r/min的条件下发酵,突变菌株和野生型发酵液中的乙醇产量基本相同。【结论】Mbp1基因缺失使酿酒酵母的乙醇发酵能力下降并影响细胞的形态分化。