以酿酒酵母为细胞工厂的木质纤维素原料对木糖组分利用的研究进展

<正>年产量巨大的木质纤维素是可再生的生物基产品生产原料。近些年来得到广泛关注。木糖是木质纤维素原料的主要组分,其综合利用对充分利用原料、提高经济效益具有重要意义。食品级酿酒酵母是一种鲁棒性强的细胞工厂。且遗传改造技术相对成熟。文章综述了近年来基于代谢工程策略构建利用木糖产乙醇、木糖醇以及木糖酸产品的酿酒酵母细胞工厂方面的研究工作。     

木糖醇发酵状态估算、过程预测与优化

运用广义对数方程拟合不同初始木糖浓度(4.73～94.71g/L)下的木糖醇发酵过程,借助于均匀设计综合考察构建神经网络时第一、二隐层单元数、学习速度、初始权矩阵对模拟结果的影响及不同的初始状态变量对木糖醇发酵过程的影响,建立了一个能够很好地用于不同初糖浓度下木糖醇发酵状态估算和过程预测的四层6-7-6-3拓扑构型的神经网络模型,提出了对改善木糖醇发酵有指导意义的优化方案。     

酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae重组菌株木糖醇发酵的初步研究

木糖还原酶催化木糖为木糖醇的反应,是木糖代谢的第一步。将木糖还原酶的原因ＸＹＬ１引入酿酒酵母中,构建得到儿表达ＸＹＬ１基因的重组酿酒酵母菌株ＨＹＥＸ２,该重组菌株的木糖还原酶比活力为７．４７Ｕ／ｍｇ。研究表明,该菌株获得转化木糖产生木糖醇的能力,当辅助碳源葡萄糖的浓度为２％,并在发酵３０ｈ左右添加木糖,木糖醇的转化率可达到０．９７ｇ／ｇ。     

可同化阿拉伯糖的木糖还原酿酒酵母菌株构建

[目的] 以秸秆等木质纤维素类生物质为原料生产液体生物燃料乙醇,目前生产成本高,大规模工业化生产尚有较大难度。构建能同化阿拉伯糖进行木糖还原生产木糖醇的重组酿酒酵母菌株,以实现原料中全糖利用、生产高附加值产品,实现产品多元化。[方法] 首先,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术依次向出发菌株中导入阿拉伯糖代谢途径和木糖还原酶基因,使菌株获得代谢阿拉伯糖和将木糖转化为木糖醇的能力;其次,通过适应性驯化的进化工程手段,提高重组菌株对阿拉伯糖的利用效率;最后,通过混合糖发酵验证重组菌株利用阿拉伯糖和还原木糖产木糖醇的能力。[结果] 通过导入植物乳杆菌的阿拉伯糖代谢途径,酿酒酵母菌株获得了较好的利用阿拉伯糖生长繁殖的能力;进一步导入假丝酵母的木糖还原酶基因后,重组菌株在葡萄糖作为辅助碳源条件下可高效还原木糖产木糖醇,但阿拉伯糖的利用能力下降。利用以阿拉伯糖为唯一碳源的培养基进行反复批次驯化,阿拉伯糖的利用能力得以恢复和提升,得到表型较好的重组菌株KAX3-2。该菌株在木糖（50 g/L）和阿拉伯糖（20 g/L）混合糖发酵条件下发酵72 h时,对阿拉伯糖和木糖利用率分别达到42.1%和65.9%,木糖醇的收率为64%。[结论] 本研究成功构建了一株能有效利用阿拉伯糖并能将木糖转化为木糖醇的重组酿酒酵母菌株KAX3-2,为后续构建、获得阿拉伯糖代谢能力更强、木糖醇积累效率更高菌株的工作奠定了基础。     

热带假丝酵母XYL1在Pichia pastoris中的表达及固定化细胞发酵生产木糖醇

利用克隆获得的具有双重辅酶依赖性的热带假丝酵母xyl1基因,通过表达载体pGAPZB转入巴斯德毕赤酵母X-33,采用海藻酸钙凝胶包埋法固定该重组菌,研究固定化条件下玉米芯水解液的发酵特性,实现对玉米芯等农业废弃物资源的利用。结果表明,转化xyl1基因的巴斯德毕赤酵母X-33的总酶活达到1.64U/mg。固定化细胞的最适发酵条件为pH 6.0、30℃、接种量20%、装液量28%、转速130r/min,木糖醇转化率为37.5%。为生物转化法大规模生产木糖醇以及乙醇提供新的选择途径。     

休哈塔假丝酵母（Candida shehatae）木糖醇脱氢酶基因（xyl2）克隆与序列分析

根据木糖醇脱氢酶基因序列相似的特点,根据树干毕赤酵母（Pichia．sfipitis）,热带假丝酵母（Candidatropicalis）设计1对简并引物获得C．shehatae HDYXHT－01木糖醇脱氢酶基因的序列,此片段长为1095bp。利用生物信息学软件对此序列进行了同源性分析、氨基酸组成分析、疏水性分析、磷酸化位点预测、CDS分析、二级结构预测。结果表明,该克隆片段为C．shehataeHDYXHT－01木糖醇脱氢酶基因的序列。     

假丝酵母发酵玉米芯半纤维素水解液生产木糖醇

采用一株驯化过的假丝酵母(Candida sp.)直接发酵经过简单脱毒处理的玉米芯半纤维素水解液生产木糖醇。确定了水解液的最适浓缩倍数在3.0～3.72的范围内。利用正交实验,确定了摇瓶分批发酵工艺条件的最适组合为：摇床转速180r/min,起始C/N为50,起始pH 5.5,接种量5% (体积比)。在此基础上,重点研究了在发酵罐中通气量对酵母发酵玉米芯水解液生产木糖醇的影响。结果表明采用先高后低的分段通气发酵在木糖醇得率方面明显优于恒定通气发酵;其中,在0～24h,3.75 L/min;24～108h,1.25 L/min的分段通气条件下(装液量为2.5L),木糖醇得率(木糖醇/木糖,g/g) 达到0.75 g/g。该结果将有助于建立一种高效的、大规模的利用玉米芯半纤维素水解液发酵生产木糖醇的工艺。     

代谢工程改善野生酵母利用木糖产乙醇的性能

从256个自然样品中筛选得到1株可高效转化D-木糖的酵母。通过生理生化和分子生物学方法鉴定, 证实该菌株是属于Candida tropicalis。以该酵母为研究对象, 增加木糖醇脱氢酶表达量, 通过改变代谢流以达到提高酒精产率的目的。以pXY212-XYL2质粒为基础载体, 构建了含有潮霉素抗性的pYX212-XYL2-Hygro, 电击转化进入野生型C. tropicalis, 潮霉素抗性筛选, 得到含高拷贝木糖醇脱氢酶基因的重组菌株C. tropicalis XYL2-7。重组菌的比酶活达到0.5 u/mg protein, 比原始菌株提高了3倍。实验表明, 重组菌木糖醇得率比原始菌株降低了3倍, 酒精得率提高了5倍。首次通过实验验证了热带假丝酵母利用木糖产乙醇的可行性, 这对研究酵母利用秸秆、麦糠、谷壳等纤维质农业废弃物生产燃料乙醇具有重要启示。     

代谢木糖和葡萄糖的重组酿酒酵母的构建

为使酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）YS58代谢木糖产乙醇,采用PCR方法克隆得到树干毕赤酵母（Pichia stipitis）木糖醇脱氢酶基因xy12,并将该基因和克隆得到的休哈塔假丝酵母（Candida shehatae）缺终止子的木糖还原酶基因xyl1一起连接到酵母表达载体pYES2的强启动子GAL下,得到融合表达载体pYES2-P12。通过醋酸锂转化的方法将pY-ES2-P12转入S.cerevisiae YS58中,得到S.cerevisiae YS58-12。利用所构建的重组酿酒酵母进行术糖发酵实验,结果表明该重组酵母能发酵木糖,使木糖利用率得到进一步提高,最高达到81．3％,而且能代谢木糖产生乙醇。