青霉生产木质纤维素降解酶系的研究进展

木质纤维素降解酶系的高效生产是实现植物生物质大规模生物炼制的重要支撑。就地生产木质纤维素降解酶,有助于降低其使用成本,提高技术经济效益。青霉是自然界常见的木质纤维素降解真菌,可以合成分泌种类多样、组分齐全的木质纤维素降解酶系,已被应用于纤维素酶制剂的工业生产。文中从就地生产降解酶,为木质纤维素生物炼制构建“糖平台”的角度,综述了青霉木质纤维素降解酶系的性质、菌株遗传改造及发酵工艺的研究进展。     

产β-葡萄糖苷酶微生物育种研究进展

β-葡萄糖苷酶在纤维素降解方面有着重要的作用,可以把纤维二糖水解成葡萄糖。对产β-葡萄糖苷酶微生物的育种进行了概述,包括自然选育、诱变育种、原生质体育种和基因工程育种等。目前,通过基因工程手段构建工程菌或通过蛋白质工程手段改造酶蛋白,以获得高活性的β-葡萄糖苷酶已成为研究的热点。     

大肠杆菌对木质纤维素水解液抑制物的胁迫耐受性

木质纤维素类生物质是前景广阔的化石原料替代品，其生物炼制可生产生物能源、生物基化学品和生物材料等多种产品，可降低碳排放，有助于实现“双碳”目标，因此受到越来越多的关注。然而，木质纤维素生物炼制需要经过预处理、微生物发酵和产物纯化等多个步骤，其中，预处理过程产生的多种化合物抑制微生物的细胞生长和发酵性能，是制约生物转化效率的瓶颈之一。大肠杆菌是木质纤维素生物炼制常用的宿主，被广泛应用于多种化合物的生产，研究其对木质纤维素水解液中抑制物的耐受性，对于提高木质纤维素生物炼制效率具有重要意义。本文首先介绍了木质纤维素的主要成分和基本结构，对木质纤维素的预处理方法以及预处理后水解液中的主要抑制物种类进行了简单阐述；随后，总结了木质纤维素水解液中几类主要抑制物呋喃类、羧酸类和酚类对大肠杆菌细胞的毒性，以及大肠杆菌对上述抑制物的胁迫响应机制和基于机制的菌株改造靶点；最后，综述了提高大肠杆菌对上述抑制物的胁迫耐受性的菌株改造策略，包括随机突变、实验室适应性进化和组学辅助的理性设计等，为利用代谢工程构建用于木质纤维素生物炼制的高效大肠杆菌菌株提供参考。     

丝状真菌纤维素酶合成诱导及转录调控

利用廉价可再生木质纤维素资源水解产生的可发酵糖生产生物能源和生物基化学品是近年来国内外研究的热点。纤维素酶酶解是木质纤维素原料生物降解的重要手段,但目前纤维素酶生产成本过高,限制了纤维素生物转化和生物炼制的工业化应用。对丝状真菌纤维素酶基因表达和调控进行研究,有利于进一步选育纤维素酶高产菌株,降低纤维素酶生产成本。随着高通量测序及丝状真菌遗传操作等技术的进步,对丝状真菌纤维素酶诱导和基因表达调控机理有了更深入的认识。本文综述了近年来丝状真菌纤维素酶诱导和纤维素酶基因表达调控的最新进展,重点论述糖转运蛋白、转录因子和染色质重塑对纤维素酶表达调控的影响,并对利用人工锌指蛋白进行丝状真菌纤维素酶诱导调控研究进行了展望。     

白蚁及共生微生物木质纤维素水解酶的种类

白蚁是热带生态系统重要的木质纤维素降解者。白蚁种类丰富,可分成高等白蚁和低等白蚁,食性也具有各自特点。白蚁自身可以产生纤维素酶,主要是GHF9的内切葡聚糖酶(EG),也有β-葡萄糖苷酶(GB)。低等白蚁共生的原虫中已发现丰富的纤维素酶基因,属于GHF5,7和45。同时还有其他相关功能基因,如木聚糖酶和果胶类物质水解酶。高等白蚁肠道中没有共生原虫。高等培菌白蚁可以利用共生蚁巢伞属真菌促进木质纤维素降解,真菌可以产生纤维素酶,果胶质水解酶类、木聚糖酶,同时还产生可能与木质素分解相关的一种漆酶,但是从分子水平,关于共生真菌纤维素水解酶的研究还较少。白蚁肠道已分离出许多具有木质纤维素降解能力的菌株,最近的研究也发现了大量细菌纤维素酶基因。白蚁-共生系统丰富的木质纤维素水解酶类为发展生物方法开发纤维素乙醇这一思路提供有价值的资源。     

构建伴有β-葡萄糖苷酶表达的乙醇发酵大肠杆菌

研究构建能够分泌表达纤维素酶的产乙醇菌株,实现降解木质纤维素生产乙醇的整合生物加工过程。文中通过克隆来自运动发酵单胞菌Zymomonas mobilis ZM4的丙酮酸脱羧酶基因pdc和乙醇脱氢酶基因adhB,并通过Red重组将二者整合到大肠杆菌Escherichia coli JM109基因组中,首先构建了一株可以利用葡萄糖进行乙醇发酵的重组菌E. coli P81。随后将来源于多粘芽胞杆菌Bacillus polymyxa1.794的β-葡萄糖苷酶基因bglB在E. coli P81中进行了分泌表达,得到了一株可以进行纤维二糖降解和乙醇发酵双重功能的重组菌E. coli P81(pUC19-bglB)。该菌胞外分泌β-糖苷酶活达到84.78 mU/mL菌液,纤维二糖酶活达到了32.32 mU/mL菌液。该重组菌E. coli P81(pUC19-bglB) 以纤维二糖为碳源进行乙醇发酵,乙醇得率达到了理论产率55.8％,而在葡萄糖和纤维二糖的共发酵中,其乙醇产量达到了理论产率46.5％。构建得到的此株整合生物加工大肠杆菌能够利用β-葡萄糖苷酶生产乙醇,为构建能利用木质纤维素分解产物生产燃料乙醇的高效、稳定生产用工程菌奠定了良好的基础。     

嗜热淀粉芽孢杆菌来源β-葡萄糖苷酶的重组表达与酶学性质

【背景】β-葡萄糖苷酶(EC 3.2.1.21,β-glucosidase),是纤维素分解酶系中的重要组成部分,目前工业上应用的β-葡萄糖苷酶多数来源于植物和真菌,来源于细菌的较少,且应用中还存在酶活力偏低、热稳定性差、反应条件适用范围窄、酶活力易受产物反馈抑制等问题,增加了经济成本。嗜热微生物具有特殊的遗传信息资源,极有可能从中挖掘到酶学性质优良的新型β-葡萄糖苷酶,从而解决工业难题。【目的】从嗜热淀粉芽孢杆菌(Bacillus thermoamylovorans)基因组中挖掘新型β-葡萄糖苷酶基因,通过基因重组、异源表达和蛋白纯化技术制备新型β-葡萄糖苷酶,并探究其酶学性质,为新型β-葡萄糖苷酶在纤维素水解等领域的应用奠定基础。【方法】人工合成新型β-葡萄糖苷酶基因bgl52,构建重组表达质粒pET22b-bgl52,并用电脉冲法转化到大肠杆菌BL21(DE3)中实现可溶性表达,利用Ni-NTA亲和层析纯化得到高纯度的β-葡萄糖苷酶Bgl52。【结果】实现重组表达质粒pET22b-bgl52在大肠杆菌BL21(DE3)中的可溶性表达,并获得β-葡萄糖苷酶Bgl52纯蛋白,蛋白分子量...     

一株产β-葡萄糖苷酶甘草内生菌的筛选、全基因组分析及产酶优化

【背景】从健康甘草须根中分离获得的一株芽孢杆菌具有高产β-葡萄糖苷酶的活性。【目的】探究分离菌株潜在的产酶遗传信息,为该菌深入研究与工业应用提供数据支撑。【方法】利用七叶苷培养基进行产β-葡萄糖苷酶的益生菌筛选,筛到一株产β-葡萄糖苷酶的芽孢杆菌,采用三代Nanopore PromethION和二代Illumina NovaSeq平台对菌株进行基因组测序与组装、并通过基因预测与功能注释等生物信息分析预测菌株潜在的β-葡萄糖苷酶基因。另外,以β-葡萄糖苷酶活性为指标,研究碳源、氮源、接种量、温度和起始pH对菌株产酶活性的影响。【结果】从甘草须根中分离得到一株具有β-葡萄糖苷酶活性的菌株,通过形态学观察、生理生化和分子生物学试验鉴定为芽孢杆菌属菌株,并命名为Bacillus rugosus A78.1。该菌株基因组大小为4 146 938 bp,G+C含量为43.86%,共编码4 255个基因。在基因组中,共注释到碳水化合物活性酶基因192个,其中β-葡萄糖苷酶基因10个,分别属于GH1和GH3家族基因。在基因本体（GO）、京都基因与基因组百科全书（Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG）和同源基因簇（clusters of orthologous groups of proteins,COG）数据库分别注释到2 896、4 019和3 657个基因。该菌株基因组测序结果上传至NCBI获得GenBank登录号为CP096590。菌株A78.1产β-葡萄糖苷酶的最佳碳、氮源分别为0.5%葡萄糖、1.0%酵母浸粉,最佳培养条件为温度37℃、3%接种量、pH 6.0,此条件下β-葡萄糖苷酶活力可达到（5.640±0.085） U/mL。【结论】通过全基因组测序分析及产酶优化试验确定了Bacillus rugosus A78.1优良的产β-葡萄糖苷酶能力及在碳水化合物代谢方面的潜力,为该菌株在纤维素分解、糖苷类化合物水解等生物、化工和食品领域的研究与应用提供基础。     

微生物降解利用木质纤维素的协同作用

木质纤维素复杂的结构组成,是制约高效降解利用这一资源、发展生物炼制的瓶颈。微生物的多酶(菌)体系可有效降解木质纤维素。除好氧微生物的游离酶协同系统之外,主要存在于厌氧细菌中的纤维小体也是有序、高效的协同降解纤维素的复合体系。近年来,在天然纤维小体研究的基础上,研究者们成功设计、构建了人工纤维小体,加深了对这一复合体系的组成单元的理性认识。另外,菌群共培养技术利用各组成菌株代谢途径的协同作用实现了木质纤维素的高效降解。最后,引入异源纤维素酶,可改造现有工程菌株的代谢网络,提高工程菌发酵生产终产物的能力。这些技术有利于实现一步转化生产乙醇的联合生物工艺,有助于提高生物炼制的产率、降低生产成本。     

里氏木霉有性生殖的分子机理及其在遗传育种中的应用

将木质纤维素转化为可发酵糖用于生产生物燃料以及生物基化学品是实现碳中和的有效途径之一.木质纤维素降解酶在这一过程中发挥着重要作用.里氏木霉是应用最为广泛的纤维素酶、半纤维素酶工业生产菌株.长期以来,里氏木霉一直被认为是红褐肉座菌的无性型,只能进行无性繁殖,菌种改良以经典诱变、基因育种等为主.直到近些年才证实里氏木霉可以...     

絮凝选择载体的构建及β葡萄糖苷酶基因在酿酒酵母中的表达

从强絮凝酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)ABXL-1D菌株中用PCRA-法扩增到絮凝基因(Flocculation gene,FLO1),构建以絮凝基因作选择标记的酿酒酵母表达栽体：用该栽体表达Bacillus polymyxa的β-葡萄糖苷酶基因,转化子可直接从沉淀中筛选。摇瓶培养细胞得到的β-葡萄糖苷酶比活力为3．91u／mg蛋白。在发酵葡萄糖和纤维二糖混合底物时,转化子的葡萄糖残存量明显低于受体菌。这将有利于利用纤维素发酵生产酒精。     

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。     

白蚁及其共生菌来源的4种木质纤维素酶的共表达

天然的木质纤维素材料含有纤维素、半纤维素和木质素等成分。降解天然木质纤维素底物时,需要木质纤维素酶共同作用。近年在木质纤维素酶的相互协同作用方面的研究引起人们的关注,成为一个新的研究热点,文中使用两个不同的共表达载体pETDuet-1和pRSFDuet-1,在大肠杆菌中共表达了白蚁及其肠道微生物来源的β-葡萄糖苷酶、内切β-1,4-葡聚糖酶、漆酶和木聚糖酶这4种木质纤维素酶,经过SDS-PAGE分析得到了与理论值一致的蛋白条带,同时经过酶活验证,这4种蛋白都具有酶活性。以磷酸处理的微晶纤维素(PASC)为底物,测定了共表达酶粗酶液与单独表达酶混合液的协同作用因子,从还原糖的产量上经计算共表达的粗酶液比单独表达酶的混合液对PASC的降解协同作用提高44%;以滤纸和磷酸处理的玉米芯为底物,测定降解协同作用,分别提高了34%和20%。结果表明,共表达酶的降解效率要高于混合的单组分酶液降解效率的总和。     

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。     

酿酒酵母异源表达纤维二糖转运蛋白LacY与纤维二糖利用菌株的构建北大核心

【目的】在酿酒酵母体内设计代谢通路,使酿酒酵母能利用纤维素水解产物纤维二糖生产乙醇。【方法】首先,用大肠杆菌DH5α总DNA为模板克隆编码大肠杆菌乳糖透过酶的LacY基因。为过表达LacY基因,以质粒YEplac181作为载体,将酿酒酵母PGK1p强启动子加到LacY基因之前,CYC1t终止子加到LacY基因之后,构建质粒YEplac181-PGK1p-LacY-CYC1t。之后,将纤维二糖转运蛋白LacY表达质粒和β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase,BGL)表达质粒pRS316-PGK1p-gh1-1-CYC1t依次转入野生型酿酒酵母W303-1A中,使野生型酿酒酵母W303-1A异源表达可转运纤维二糖的LacY蛋白和β-葡萄糖苷酶GH1-1,构建可利用纤维二糖的酿酒酵母工程菌W303-1A GL。最后,通过发酵测定酿酒酵母工程菌W303-1A GL的纤维二糖利用情况和乙醇产量,并对纤维二糖代谢通路中纤维二糖酶活力进行测定。【结果】本研究构建了纤维二糖转运蛋白LacY和β-葡萄糖苷酶GH1-1协同表达的酿酒酵母工程菌W303-1AGL。W303-1AGL可以有效利用纤维二糖发酵生产乙醇,W303-1A GL发酵24 h时乙醇产量达到3.25 g/L,得率为0.325 g乙醇/g纤维二糖,利用葡萄糖产乙醇理论得率为0.511 g乙醇/g纤维二糖,达到葡萄糖产乙醇理论得率的64%,细胞密度最高在第54 h达到OD600=10.84,胞内β-葡萄糖苷酶的酶活在72 h最高,可达到0.51 U/mg。【结论】本研究成功构建了能有效利用纤维二糖的重组酿酒酵母工程菌W303-1A GL,为提高纤维素乙醇生产效率、降低纤维素乙醇生产成本提供了新思路。     

提高木质纤维素酶解糖化效率的研究进展

木质纤维素高效水解为可发酵糖是其在生物燃料及高附加值化学品转化过程中至关重要的环节。从环保的角度出发,水解方法中的酶解是木质纤维素被彻底降解而无环境污染的有效途径,并且酶水解反应糖损耗低、副产物少、条件温和,因此受到广泛关注。但木质纤维素的组成与结构极为复杂,加之纤维素酶存在稳定性差、寿命短、活性低等缺陷,致使酶解效率较低,酶解糖化成本过高,为此国内外学者对如何提高木质纤维素酶解效率开展诸多方面的研究,综述了近年来提高木质纤维素酶解效率研究取得的最新理论研究及工艺进展,并就木质纤维素的预处理、产酶菌株/技术、酶复配/重组、酶解助剂、酶固定、外场作用、酶回收重利用及酶解反应器多方面的研究情况进行了总结,进一步展望了木质纤维酶解糖化的发展方向。     

β-葡萄糖苷酶基因的克隆与表达研究进展

β-葡萄糖苷酶是一类重要的纤维素酶,广泛的存在于各种生物体内,具有重要研究价值.详细介绍了β-葡萄糖苷酶的性质与结构,微生物、植物β-葡萄糖苷酶基因的克隆情况,及在大肠杆菌和酵母中表达方面的研究.     

一株木质纤维素降解菌的筛选及其全基因组分析北大核心CSCD

【目的】筛选和鉴定有木质纤维素降解能力的1株细菌,测定其相关酶活力并进行全基因组分析,为构建木质纤维素降解工程菌提供依据。【方法】采用3种木质素类似物(天青-B;酚红;愈创木酚)的脱色/染色法,从腐木和被枝叶覆盖的土壤中分离和筛选出1株具有较强木质纤维素降解能力的细菌。通过16S r RNA基因和全基因组序列分析对该菌进行种属鉴定。使用紫外分光光度法测定其锰过氧化物酶(Mn P)、漆酶(Lac)、羧甲基纤维素酶(CMCase)以及滤纸酶(FPA)活力,了解该菌相关酶活力大小在一定时间内的变化趋势。使用Illumina Miseq和454 GS Junior测序平台获取该菌的全基因组序列,将其全基因组序列经过注释的基因蛋白质序列提交COG和KEGG数据库进行BLASTp比对分析,确定该菌潜在的重要酶类和代谢途径,并对部分注释基因进行定量RT-PCR验证。【结果】筛选得到1株优势菌株S12,该菌经鉴定后命名为解鸟氨酸拉乌尔菌(Raoultella ornithinolytica)。在液体CMC-Na培养基中发酵28 h,菌体生长达到稳定期,纤维素降解相关酶活力也在此时达到峰值。生物信息学分析结果表明,菌株S12具有木质素降解通路中重要酶类的编码基因,如过氧化物酶、Fe-Mn型超氧化物歧化酶、邻苯二酚1,2-双加氧酶和原儿茶酸-3,4-双加氧酶等,这些基因在以碱性木质素为碳源的培养条件下表达量不同程度地高于以葡萄糖为碳源的培养条件。另外,菌株S12具备完整的纤维素降解和乙醇生成通路。【结论】本研究首次揭示了Raoultella ornithinolytica S12具备有效的木质纤维素降解性能,这对于推动木质纤维素应用产业的发展具有重要意义。     

瘤胃中木质纤维素降解菌及降解酶基因的研究进展

摘要：反刍动物瘤胃是公认的木质纤维素高效降解的天然反应器,对瘤胃微生物的研究成为开发生物能源的热点领域之一。其研究手段已经从传统的依赖分离培养从瘤胃中获得木质纤维素降解菌,并对降解菌中的木质纤维素降解酶逐一分析,发展到通过基因组/元基因组技术,直接从瘤胃中发现获得大量新的木质纤维素降解酶基因/基因簇,进而探讨其降解的分子机理。已有的研究结果表明,瘤胃微生物降解木质纤维素的过程非常复杂,其中涉及到大量不同种类的微生物、酶及基因/基因簇,随着新分析技术的建立和完善,对这些微生物、酶和基因的研究已取得了诸多进展。本论文综述报道了近期有关该方向的研究进展。     

同源过表达BglR对嗜热毁丝霉β-葡萄糖苷酶活性的影响

目的:克隆嗜热毁丝霉(Myceliophthora thermophila ATCC42464)bglr基因,构建Mtbglr过表达载体,研究同源过表达bglr对嗜热毁丝霉β-葡萄糖苷酶活性及总纤维素酶活性的影响。方法:利用SLIC技术构建Mtbglr过表达载体;使用MtPpdc启动子及MtTpdc终止子将该基因进行同源过表达;利用原生质体转化、实时荧光定量PCR和酶活测定等技术实现bglr基因在嗜热毁丝霉中表达及酶活水平的鉴定。结果:成功构建Mtbglr过表达载体,并转化嗜热毁丝霉,结果表明,诱导培养条件下,转化子Mt8菌株的β-葡萄糖苷酶活性和胞外蛋白质浓度分别是WT菌株的1.7倍和1.9倍。结论:bglr基因对嗜热毁丝霉β-葡萄糖苷酶活性具有增强作用,为嗜热真菌β-葡萄糖苷酶基因调控奠定了理论基础。