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。     

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。     

木糖异构酶在酿酒酵母细胞表面的展示

将来源于嗜热细菌Thermus thermophilus的木糖异构酶基因xylA,与酿酒酵母(Sac-charomyces cerevisiae)a-凝集素表面展示载体pYD1的Aga2p亚基C端序列融合。编码融合蛋白的基因序列前接上半乳糖诱导型启动子。用LiAc完整细胞法转化酿酒酵母EBY100。含重组质粒的菌株EBY100/pYD-xylA经半乳糖诱导表达外源融合蛋白,免疫荧光显微镜结果显示外源蛋白被锚定在细胞壁上,木糖异构酶活性测定结果表明,细胞壁上酶活测定值为1.52U,木糖异构酶在酿酒酵母细胞壁上得到活性表达。     

gTME构建共发酵木糖和葡萄糖的重组酿酒酵母

利用全转录工程（gTME）方法将全局转录因子spt15随机突变并克隆表达, 构建突变库。将突变基因连接到表达载体 pYX212上, 醋酸锂法转化入不利用木糖的酿酒酵母YPH499中, 经特定的培养基初筛获得高效利用木糖并共发酵木糖和葡萄糖的酿酒酵母重组菌株。对获得的重组菌株进行了初步研究, 该菌株能够很好的利用木糖并共发酵木糖和葡萄糖。在30oC, 200 r/min, 发酵96 h时, 50 g/L木糖和葡萄糖的利用率为94.0%和98.9%, 乙醇产率为32.4%和31.6%, 原始菌株乙醇产率为44.3%; 当木糖和葡萄糖以质量比1:1混合发酵时, 木糖和葡萄糖利用率分别为91.7%和85.9%, 乙醇产率为26%。木糖醇的含量极低。     

gTME构建共发酵木糖和葡萄糖的重组酿酒酵母

利用全转录工程（gTME）方法将全局转录因子spt15随机突变并克隆表达, 构建突变库。将突变基因连接到表达载体 pYX212上, 醋酸锂法转化入不利用木糖的酿酒酵母YPH499中, 经特定的培养基初筛获得高效利用木糖并共发酵木糖和葡萄糖的酿酒酵母重组菌株。对获得的重组菌株进行了初步研究, 该菌株能够很好的利用木糖并共发酵木糖和葡萄糖。在30oC, 200 r/min, 发酵96 h时, 50 g/L木糖和葡萄糖的利用率为94.0%和98.9%, 乙醇产率为32.4%和31.6%, 原始菌株乙醇产率为44.3%; 当木糖和葡萄糖以质量比1:1混合发酵时, 木糖和葡萄糖利用率分别为91.7%和85.9%, 乙醇产率为26%。木糖醇的含量极低。     

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。     

宿主遗传背景对重组酿酒酵母木糖共发酵影响的研究进展

木糖是纤维素原料水解液中最主要的五碳糖成分,由于野生的酿酒酵母缺乏有效的木糖利用途径,将外源木糖代谢途径整合至酿酒酵母中使其具有发酵木糖生产乙醇的能力是构建纤维素乙醇发酵菌株的关键。国内外学者的研究表明,同一木糖代谢途径导入不同酿酒酵母菌株中,所得到的重组菌发酵性能存在明显差异,表明宿主的遗传背景对菌株利用木糖能力和发酵性能具有重要的影响。就酿酒酵母宿主对重组菌株的木糖发酵性能的影响进行了综述,分析了产生宿主差异的内在机理,为进一步选育高效木糖共发酵菌种提供借鉴。     

木糖异构酶基因xylA表达载体构建

以大肠埃希菌MG1655的基因组为模板,通过PCR扩增获得木糖异构酶基因xylA。利用敲除编码对基因转录起负调控作用的lacIq基因的大肠埃希菌/谷氨酸棒杆菌穿梭质粒pEC-XK99E,酶连后转化大肠埃希菌BL21和谷氨酸棒杆菌ATCC 13032。成功构建出了具有大肠埃希菌BL21表达活性的木糖异构酶表达载体pEC(lacI-)-xylA。     

产虫草素酿酒酵母工程菌株的构建与发酵优化

虫草素作为药用真菌蛹虫草的主要活性成分,具有抗肿瘤、抗病毒等多种生理功能。现阶段虫草素主要通过蛹虫草液体发酵生产,但发酵周期长、生产强度低,制约了其大规模开发利用。文中在酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae S288C中异源表达虫草素合成关键基因ScCNS1和ScCNS2,成功构建了产虫草素的酵母工程菌SHC16,发酵240 h虫草素产量可达67.32 mg/L;基因表达分析显示,发酵后期磷酸戊糖途径、嘌呤代谢及虫草素合成途径关键酶编码基因ZWF1、PRS4、ADE4、ScCNS1及ScCNS2表达水平显著上调。进一步地,通过优化发酵培养基组成,确定以50 g/L葡萄糖为初始底物结合一次补料、添加5 mmol/L Cu2+和1.0 g/L腺嘌呤为最适培养基组成。基于此在5 L搅拌发酵罐中开展补料分批发酵,144 h虫草素产量达到137.27 mg/L,生产强度达0.95 mg/(L·h),较未优化发酵体系提高240%。     

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...     

嗜热细菌木糖异构酶基因xylA在酿酒酵母中的高效表达

采用PCR技术克隆得到嗜热细菌Clostridium thermohydrosulfuricum木糖异构酶(xylose isomerase XI)基因xylA,将该基因连接于酵母表达载体pMA91的磷酸甘油激酶(PGK)启动子下,得到重组质粒pBX1。通过LiAc完整细胞转化法将重组质粒转移至酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)H158受体菌中,得到重组酵母转化子H612,酶活测定结果表明,成功地在酿酒酵母中得到木糖异构酶的活性表达。SDSPAGE电泳结果显示出明显的特异性表达产物带,单体分子量为43kD。由酿酒酵母重组子H612产生的木糖异构酶最高酶活条件与其在自然状态下的一致,均为85℃,pH70,在这一条件下酶的比活力为10U/mg蛋白,而在接近酵母最适生长温度的30℃和40℃时,其相对酶活分别下降37%和11%。研究结果显示在酿酒酵母中得到木糖异构酶的活性表达,为进一步在酿酒酵母菌中建立新的木糖代谢途径打下了基础。     

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。     

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.     

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。     

木糖发酵重组菌研究进展

木糖发酵是植物纤维原料生物转化制取乙醇商业化生产的基础和关键 ,但自然界存在的微生物菌株不能满足商业化生产的需要。利用基因工程技术对细菌和酵母进行改造 ,以提高它们在厌氧条件下的木糖发酵能力成为目前研究和开发的重点。通过转基因和基因删除技术 ,主要对Escherichiacoli、Zymomonasmobilis、Pichiastipitis和Saccharomycescerevisiae等典型的乙醇发酵菌株实施基因改造 ,构建出一系列不同类型的木糖发酵重组菌株。与野生型菌株相比 ,重组菌株在厌氧条件下的木糖发酵能力得到了不同程度的改善 ,但是它们仍然未能投入于商业化生产。微生物的木糖代谢工程和木糖发酵重组菌株的构建有待于进一步的深入研究 。     

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。     

紫外诱变驯化提高酿酒酵母木糖发酵的抑制物耐受性

利用驯化和紫外处理结合驯化的手段对一株木糖发酵工业菌株的抑制物耐受性进行提升。在反复批次培养过程中不断提高含9种抑制物的混合抑制物浓度,使细胞的生长和发酵逐渐适应高浓度抑制物环境,分离突变菌株并进行评价。紫外处理结合驯化比直接驯化能更有效的提升细胞对高浓度抑制物的耐受能力;通过突变菌株分离和筛选,获得3株抑制物耐受能力高于出发菌株的突变菌株,它们在抑制物浓度100%MI(甲酸1 g/L,乙酸3.5 g/L,乙酰丙酸1.5 g/L,糠醛1.5 g/L,5-羟甲基糠醛1.5g/L,丁香醛0.1 g/L,香草醛0.1 g/L,松柏醛0.025 g/L,肉桂酸0.025 g/L)条件下的木糖消耗率比出发菌株高出11.3%-23.2%。紫外诱变处理结合驯化过程可以有效提高酿酒酵母对混合抑制物的耐受性。     

接种发酵和自然发酵中酿酒酵母菌株多样性比较

[目的]探究自然发酵和接种发酵两种发酵方式,对霞多丽葡萄发酵中酵母菌种多样性和酿酒酵母菌株遗传多样性的影响.[方法]以霞多丽葡萄为原料,分别进行自然发酵和接种不同酿酒酵母菌株(NXU 17-26、UCD522和UCD2610)的发酵,利用26S rDNA D1/D2区序列分析和Interdelta指纹图谱技术分别进行酵...     

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。     

高效合成番茄红素酿酒酵母菌株的构建

番茄红素作为一种高附加价值的萜类化合物已受到国内外研究者的广泛关注。首先对酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae模式菌株S288c和YPH499合成番茄红素的能力进行分析比较,结果表明YPH499更适合作为底盘细胞用于番茄红素的合成。随后比较组成型启动子GPDpr、TEF1pr和诱导型启动子GAL1pr、GAL10pr对番茄红素合成的影响,结果发现以GPDpr、TEF1pr作为番茄红素合成途径基因crtE、crt B和crtI的启动子,摇瓶发酵60 h后,番茄红素产量为15.31 mg/L;以GAL1pr和GAL10pr为启动子时,其产量为123.89 mg/L,提高8.09倍。继续改造甲羟戊酸(MVA)途径,过量表达N-末端截短的关键酶基因t HMG1(3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶),番茄红素产量为265.68 mg/L,单位菌体产量72.79 mg/g。文中所设计构建的异源表达番茄红素合成途径的酿酒酵母菌株单位细胞产量高,可以进一步改造和优化后用于番茄红素的工业化生产。