抗氧化基因过表达提高运动发酵单胞菌糠醛耐受性

糠醛是木质纤维素水解液的主要抑制物,能诱发活性氧自由基(Reactive oxygen species,ROS)产生。探索抗氧化基因对于糠醛耐受性的影响有助于改善菌株表型。过表达运动发酵单胞菌Zymomonas mobilis自身的NADH氧化酶(ZMO1885)、NADP+还原酶(ZMO1753)和谷胱甘肽还原酶(ZMO1211)基因,检测胞内ROS、NADH/NAD+以及其耐受性能。结果表明,在2g/L糠醛条件下,相比对照菌株,ZM4/ZMO1885的胞内ROS降低了52.1%,生物量提高了38.9%,且未引起胞内辅因子扰动。过表达ZMO1753和ZMO1211没有显著提高菌株耐受性。在模拟木质纤维素水解液中,ZM4/ZMO1885的生物量较对照菌株提高了46.9%,糖耗速率提高了110.3%,乙醇生产力提高了195.2%。综上,过表达抗氧化酶基因能够影响糠醛胁迫耐受性,其中过表达ZMO1885不仅不影响细胞正常生长,还能降低ROS水平,提高糠醛去除率,改善了细胞的糠醛耐受性。     

不同信号肽对酿酒酵母蔗糖转化酶Suc2分泌表达水平的影响

目前，绝大多数酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）菌株利用菊糖生产乙醇的能力有限，而蔗糖转化酶Suc2是酿酒酵母水解菊糖的关键酶，其分泌水平直接影响酿酒酵母转化菊糖为乙醇的性能。为提高酿酒酵母中蔗糖转化酶Suc2的分泌表达水平，利用生物信息学的分析方法选择出11种不同的分泌信号肽，包括酿酒酵母内源性、其他菌株来源以及已报道序列优化改造的信号肽，将它们融合至Suc2并构建了相应的酿酒酵母BY4741重组菌。其中，酿酒酵母内源分泌信号肽AGA2能使蔗糖转化酶Suc2更有效的分泌，含有信号肽AGA2的重组菌BY-AG的蔗糖酶酶活和菊糖酶酶活相对于含有天然信号肽的原始菌BY-S分别提高42%和26%，其利用菊糖产乙醇能力较原始菌提高了32%，乙醇产量达到78.11 g/L。在使用毕赤酵母（Pichia pastoris）分泌信号肽MSB2时，蔗糖转化酶Suc2的分泌水平也有提高，含有信号肽MSB2的重组菌BY-MS较原始菌BY-S的蔗糖酶酶活和菊糖酶酶活分别提高了80%和74%，同时，利用菊糖产乙醇能力也提高了56%，产量达到86.31 g/L。最后，对重组菌BY-MS摇瓶发酵过程中的生物量、蔗糖酶酶活、残糖总量和乙醇产量进行了监测，结果表明，重组菌BY-MS的发酵性能较原始菌BY-S有显著提高。本研究为提高蔗糖转化酶Suc2的分泌水平、构建高效菊糖基乙醇生产菌株提供参考。     

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。     

选育耐受复合抑制剂酿酒酵母提高乙醇产量

能够耐受纤维素预处理中抑制剂的酿酒酵母对高效、经济生产纤维素乙醇至关重要。利用诱变结合驯化工程选育了一株可耐受复合抑制剂(1.3g/L糠醛、5.3g/L乙酸及1.0g/L苯酚)的工业酿酒酵母YYJ003。在pH 4.0的含有抑制剂的培养基中,耐受菌株乙醇产率是原始菌株的7.8倍,糠醛转化速率提高了5倍。在pH 5.5的复合抑制剂条件下,YYJ003发酵时间(16h)比野生菌株发酵时间(22h)缩短6h。在pH 4.0的未脱毒的玉米秸秆水热法预处理水解液中YYJ003的乙醇产率达到0.50g/g(乙醇/葡萄糖),乙醇产速达到4.16g/(L·h),而对照菌株无乙醇产出。     

利用辅因子工程策略提高酿酒酵母中S-腺苷蛋氨酸的生物合成

通过代谢工程策略改造酿酒酵母胞内辅因子的形式和浓度,分析辅因子NADPH对于产物S-腺苷蛋氨酸(SAM)合成的作用并总结能量代谢和其他物质代谢的规律,为高产SAM菌株的代谢工程改造提供理论基础。由于酿酒酵母中的NADPH在线粒体和细胞质中的代谢相对独立,因此以酿酒酵母BY4741单倍体模式菌株为研究对象,研究了不同亚细胞结构内NADPH对于产物合成的影响。通过激光共聚焦显微镜证实了NADH激酶在酿酒酵母线粒体和细胞质中的表达。实验结果表明NADPH的提高有利于酿酒酵母胞内SAM的合成。发酵24 h,菌株NBYSM-1胞内SAM浓度较对照菌提高3.28倍,菌株NBYSM-2胞内SAM浓度提高1.79倍。其中重组菌株NBYSM-1合成SAM的能力和胞内NADPH/NADP~+比率均明显高于重组菌株NBYSM-2。因此,NADPH调控策略有望成为提高SAM产量的有力工具并应用于其他辅因子依赖化合物的合成。     

树干毕赤酵母和酿酒酵母混合糖发酵产乙醇

以树干毕赤酵母和酿酒酵母为发酵菌株,酸性蒸汽爆破玉米秸秆预水解液和纯糖模拟液为C源,采用固定化酵母细胞的方法,研究了酸爆玉米秸秆预水解液初始pH、N源种类及其浓度、3种发酵模式对树干毕赤酵母戊糖发酵的影响。结果表明:玉米秸秆预水解液适合发酵的初始pH范围为6.0～7.0;1.0 g/L的(NH4)2SO4作为N源,在40 g/L葡萄糖和25 g/L木糖培养基中发酵24 h,糖利用率达到99.47%,乙醇质量浓度为24.72 g/L,优于尿素和蛋白胨作为N源;3种模式的发酵体系中,以游离树干毕赤酵母和固定化酿酒酵母发酵性能最好,糖利用率和乙醇得率分别为99.43%和96.39%。     

木质纤维素水解液副产物对东方伊萨酵母乙醇发酵的影响

为了客观评判耐高温东方伊萨酵母HN-1利用木质纤维素水解液生产燃料乙醇的潜力,本文采用单因素试验和响应面中心组合试验研究了木质纤维素水解液有毒副产物甲酸钠(1.0-5.0 g/L)、乙酸钠(2.5-8.0 g/L)、糠醛(0.2-2.0 g/L)、5-羟甲基糠醛(0.1-1.0 g/L)和香草醛(0.5-2.0 g/L)对其乙醇发酵的影响。结果表明,木质纤维素水解液有毒副产物对东方伊萨酵母HN-1乙醇发酵的影响较小,除添加2 g/L香草醛或添加1 g/L 5-羟甲基糠醛可使乙醇产量分别降低20.38%和11.2%外,其他抑制物的添加对乙醇的生成未有显著影响。但是,当副产物浓度较高时,可以显著抑制菌体生长,添加1-5 g/L甲酸钠、2.5-8.0 g/L乙酸钠、0.4-2 g/L糠醛或0.5-2 g/L香草醛,发酵36 h时菌体细胞干重分别较对照下降了25.04%-37.02%、28.83%-43.82%、20.06%-37.60%和26.39%-52.64%。中心组合试验结果表明各抑制物交互作用对乙醇的生成影响不显著。该研究表明木质纤维素水解液副产物对东方伊萨酵母HN-1乙醇发酵的影响较小,适合用于纤维乙醇发酵。     

谷氨酰胺高效酶法转化条件研究

谷氨酰胺合成酶是生物体氮代谢的中心酶之一,在消耗ATP的情况下,谷氨酰胺合成酶催化由谷氨酸和NH4+向谷氨酰胺的转化,Toch ikura提出了将酵母发酵与纯化酶结合生产谷氨酰胺(G ln)的方法,本实验通过建立酶法合成L-G ln与酵母酒精发酵的能量偶联体系,研究了在此偶联体系中各因素对谷氨酰胺酶转化效率的影响,为工业上利用酶法生产G ln提供理论依据。     

一种基因工程改造的NADH高亲和力木糖还原酶突变基因可促进酿酒酵母发酵木糖生成乙醇

在导入表达毕赤酵母(Pichia stipitis)木糖还原酶(xylose reductase,XR)和木糖醇脱氢酶(xylitol dehydrogenase,XDH)基因的重组酿酒酵母中,木糖还原酶活性主要依赖辅酶NADPH,木糖醇脱氢酶活性依赖辅酶 NAD+,两者的辅助因子不同导致细胞内电子氧化还原的不平衡,是造成木糖醇积累,影响木糖代谢和乙醇产量的主要原因之一.将经过基因工程改造获得的NADH高亲和力的木糖还原酶突变基因m1,与毕赤酵母木糖醇脱氢酶(PsXDH)基因xyl2共转染酿酒酵母AH109,以转染毕赤酵母木糖还原酶(PsXR)基因xyl1和xyl2重组质粒的酵母细胞为对照菌株,在SC/-Leu/-Trp营养缺陷型培养基中进行筛选,获得的阳性转化子分别命名为AH-M-XDH和AH-XR-XDH.重组酵母在限制氧通气条件下对木糖和葡萄糖进行共发酵摇瓶培养,HPLC检测发酵底物的消耗和代谢产物的产出情况.结果显示,与对照菌株AH-XR-XDH相比,AH-M-XDH的木糖利用率明显提高,乙醇得率增加了16%,木糖醇产生下降了41.4%.结果证实,通过基因工程改造的木糖代谢关键酶,可用于酿酒酵母发酵木糖生产乙醇,其能通过改善酿酒酵母细胞内氧化还原失衡的问题,提高木糖利用率和乙醇产率.     

代谢工程改造酿酒酵母生产β-胡萝卜素

β-胡萝卜素在食品、药品和化妆品领域有广泛用途。为获得生产β-胡萝卜素的微生物细胞工厂,本研究首先在酿酒酵母BY4742中过表达甲羟戊酸(MVA)途径的限速酶3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGR)基因及二萜化合物合成的关键酶牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶(GGPS)基因,来提高牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸(GGPP)的供给。在酿酒酵母底盘菌BY4742-T2的基础上整合来源于成团泛菌和红法夫酵母的β-胡萝卜素合成基因,比较酿酒酵母工程菌生产β-胡萝卜素的差别。结果表明提高酿酒酵母中HMGR和GGPS酶基因的表达能将工程菌中β-胡萝卜素的产量提高26.0倍。另外,来源于真核生物红法夫酵母的合成基因相比成团泛菌,更有利于酿酒酵母生产β-胡萝卜素。最终获得的酿酒酵母工程菌BW02能生产1.56 mg/g细胞干重的β-胡萝卜素,为进一步获得高产β-胡萝卜素细胞工厂提供基础。     

在酿酒酵母中共表达XYLA和XKS1基因后利用木糖的初步研究

为了使酿酒酵母较好地利用木糖产生乙醇,将来自Thermus thermophilus的木糖异构酶基因XYLA和酿酒酵母自身的木酮糖激酶基因XKS1,构建到酵母表达载体pESC-LEU中,导入酿酒酵母YPH499中,同时成功表达了两种酶基因。该菌以木糖为唯一碳源进行限氧发酵,木糖的利用率为9.64%,为宿主菌的4.17倍,产生2.22 mmol.L-1的乙醇。同时初步探讨了两种酶基因的表达量对酿酒酵母发酵木糖生成乙醇的影响。木糖异构酶对木糖的利用起关键性的作用,木酮糖激酶的过量表达不利于乙醇生成。     

酿酒酵母耐热元器件的筛选

以提高酿酒酵母耐热性、降低乙醇发酵过程控温能耗成本为目的,通过分析嗜热栖热菌(Thermus thermophiles)HB8热激蛋白基因,设计并构建了5个热激蛋白元器件,并导入酿酒酵母。通过梯度升温培养筛选出性能较好的耐热元器件FBA1p-groes-SLM5t,并利用恒定高温培养进一步验证了含有该元器件的酿酒酵母工程菌S.c-Gro ES具有良好的耐热性,研究表明在42℃培养48h的存活率是对照的3倍。此外,FBA1p-groes-SLM5t还能提高酵母的抗氧化性,42℃下菌株S.c-Gro ES的ROS水平比对照低37.6%,H2O2处理1 h后存活率是对照的1.62倍,说明耐热元器件在缓解热胁迫的同时对细胞的抗氧化性也有帮助。耐热工程酿酒酵母S.c-Gro ES,其40℃发酵乙醇产量相对于30℃对照和40℃对照分别提高了25%和13.8%。嗜热菌热激蛋白的引入可以明显提高酿酒酵母的耐热性及其乙醇合成效率。     

发酵产丁二酸过程中废弃细胞的循环利用

对厌氧发酵产丁二酸后的废弃细胞进行破壁处理,考察了以细胞水解液作为有机氮源重新用于丁二酸发酵的可行性。比较了超声破碎、盐溶、酶解3种方法破碎细胞获得的水解液作为氮源发酵产丁二酸的效果,结果表明酶解制得的细胞水解液效果最佳。以总氮含量为1.11g/L的酶解液(相当于10g/L酵母膏)作为氮源发酵,丁二酸产量可达42.0g/L,继续增大酶解液用量对耗糖、产酸能力没有显著提高。将细胞酶解液与5g/L酵母膏联用发酵36h后,丁二酸产量达75.5g/L,且丁二酸生产强度为2.10g/(L·h),比使用10g/L酵母膏时提高了66.7%。因此,厌氧发酵产丁二酸结束后的废弃细胞酶解液可以替代原培养基中50%的酵母膏用于发酵。     

乙醇酸氧化酶基因在巴斯德毕赤氏酵母中的表达

将菠菜乙醇酸氧化酶基因片段克隆至表达载体pPIC3．5k。提取重组质粒,进行限制性酶切鉴定。重组质粒用Sal I酶切线性化,电导入法转化毕赤酵母(Pichia pastoris),在缺乏组氨酸的RDB平板筛选重组子,提取酵母的染色体基因组进行PCR扩增鉴定整合情况,用甲醇诱导表达。结果表明,SDS-PAGE电泳显示表达蛋白的分子量约为39．8kD,与文献报道的乙醇酸氧化酶分子量接近。酶的活力达到了40．8IU／g湿菌体,比不含有目的片断的对照菌酶活提高了17倍,确认了导入的乙醇酸氧化酶基因片段在酵母中高效表达。     

Lysine 21突变对树干毕赤氏酵母木糖还原酶辅酶依赖性的影响

木糖还原酶是重组酿酒酵母工程菌利用木糖生成乙醇代谢途径中的关键酶, 该关键酶在利用木糖时依赖NADPH而不是NADH是导致酿酒酵母代谢木糖生成乙醇的最终产率低的主要原因之一。为了改变树干毕赤氏酵母木糖还原酶的辅酶依赖性, 对它的第21位赖基酸Lys进行了突变。利用质粒载体pET28b分别将突变后的基因K21A-XYL1、K21R-XYL1及野生基因WT-XYL1在大肠杆菌E. coli BL21(DE3)中进行表达, 表达后的蛋白经His-Tag纯化柱纯化后测定酶学性质。结果表明: K21R突变子的辅酶依赖性没有改变, 但K21A突变子的辅酶依赖性由NADPH完全逆转为NADH。     

表达透明颤菌血红蛋白基因对酿酒酵母生长及细胞内氧化状态的影响*

透明颤菌血红蛋白基因vgb在多种研究和工业发酵菌中异源表达很好的解决了高密度发酵中的溶氧率问题。酿酒酵母是经典的真核模型,且在发酵工业中具有重要的应用价值,但vgb在酿酒酵母中异源表达对细胞生长的影响并不清楚。以ADH1为启动子构建了含透明颤菌(Vistreoscilla)血红蛋白基因vgb的异源表达质粒YEplac195-ADH1pr-vgb,并转化至酿酒酵母BY4741。通过生长敏感性实验,发现在发酵碳源和非发酵碳源中,vgb的异源表达均抑制了菌株生长。接着,通过2',7'-二氯荧光黄双乙酸盐和PI染色和脂质过氧化产物检测分析,发现过表达vgb的酿酒酵母细胞中活性氧(ROS)的积累、细胞膜通透性改变以及脂质过氧化。结果表明,酿酒酵母中过表达vgb改变细胞的氧化状态促进活性氧的累积,氧化应激导致菌株的生长抑制。     

Lysine 21突变对树干毕赤氏酵母木糖还原酶辅酶依赖性的影响

木糖还原酶是重组酿酒酵母工程菌利用木糖生成乙醇代谢途径中的关键酶, 该关键酶在利用木糖时依赖NADPH而不是NADH是导致酿酒酵母代谢木糖生成乙醇的最终产率低的主要原因之一。为了改变树干毕赤氏酵母木糖还原酶的辅酶依赖性, 对它的第21位赖基酸Lys进行了突变。利用质粒载体pET28b分别将突变后的基因K21A-XYL1、K21R-XYL1及野生基因WT-XYL1在大肠杆菌E. coli BL21(DE3)中进行表达, 表达后的蛋白经His-Tag纯化柱纯化后测定酶学性质。结果表明: K21R突变子的辅酶依赖性没有改变, 但K21A突变子的辅酶依赖性由NADPH完全逆转为NADH。     

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。     

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。     

发酵木糖生产乙醇的野生菌和转基因菌的研究进展

木糖发酵是利用植物纤维原料生物转化制取乙醇工业化生产的技术基础和关键。野生酵母中有些种属菌株可以高效利用木糖产生乙醇,其中毕赤酵母（Pichiastipim）的乙醇转化速度最高达到0．99g／L／h,转化率几乎接近理论值0．5g／g,发酵液中最高乙醇浓度可迭到（61±9）g／L。但工业生产中要达到毕赤酵母所要求的微氧最佳发酵条件比较困难。近十几年来许多研究尝试根据代谢工程原理,利用基因工程技术对酿酒酵母进行改造。从而提高其发酵木糖产生乙醇的能力。这些研究大多是将毕赤酵母的一些木糖发酵关键酶基因（XYL1、XYL2、XYL3以及ADHl、ADH2等）转入酿酒酵母细胞内,并试图得到正常转录和表达。但到目前为止,大部分的重组菌株的乙醇发酵性能还没有达到工业生产的要求。