典型产纤维小体梭菌的遗传改造及其在纤维素乙醇中的应用研究进展简

以解纤维梭菌（ Clostridium cellulolyticum）和热纤梭菌（ Clostridium thermocellum）为代表的产纤维小体梭菌可以直接完成从木质纤维素原料到乙醇的生物转化,是用于通过整合生物加工技术生产纤维素乙醇的优良候选菌株。然而,这些产纤维小体梭菌的纤维素降解效率及乙醇产量尚不能满足工业化生产的要求,其遗传改造技术的不成熟严重制约了通过定向代谢工程改造提高生产性能的进程。针对这些典型的产纤维小体菌株,各国科学家近年来在基于二类内含子的嗜中温及嗜高温遗传改造平台建立方面取得了较大突破,并通过靶向代谢工程改造,显著提高纤维素乙醇的产量。笔者对这些前期研究工作以及国内外相关研究成果进行系统的总结,并对构建的遗传改造工具的应用前景进行展望。     

产纤维素体菌厌氧降解纤维素制乙醇的研究进展

纤维素(植物细胞壁的主要成分)是自然界最丰富的一种可再生资源,但是极难降解利用。纤维素体是一种多酶复合体,能够高效降解纤维素,降解产物能够被某些厌氧微生物利用发酵产乙醇。综述了近年来产纤维素体菌厌氧降解纤维素制乙醇的研究进展,报道了纤维素体结构和功能、重组设计型纤维素体、代谢工程、混菌培养等研究方向的最新成果和思路,并对其前景作了展望。可以预期,随着研究的深入,生物质制乙醇必将日益显示出其强大的市场竞争力。     

纤维小体在燃料乙醇中的应用

纤维小体在木质纤维素的降解中起着重要作用。它不仅含有降解纤维素所需的各种纤维素酶系,而且组装成具有高效催化活性的多酶复合体形式。介绍了纤维小体基本结构与功能,重点概述了其在生物燃料乙醇中的应用并对纤维小体的研究提出了展望。     

纤维素乙醇统合加工过程中的酵母多酶共展示体系研究进展

利用统合生物加工过程(Consolidated bioprocessing,CBP)生产纤维素乙醇是目前国内外的研究热点。CBP需要一种“集成化”微生物,既能生产水解木质纤维素的多种酶类又能利用水解木质纤维素产生的糖类发酵产乙醇。以酿酒酵母表面展示技术为依托,建立CBP菌株多酶共展示体系的研究主要分为以下两个方向：一是直接将纤维素酶展示在细胞表面,即非复合型纤维素酶体系;另一种是通过表面展示纤维小体(Cellulosome)将纤维素酶间接地锚定在细胞表面,即复合型纤维素酶体系,本文主要从以上两个方向阐述了近几年对于纤维素乙醇生物统合加工过程的研究进展。因纤维小体对纤维素的降解能力比非复合型纤维素酶体系更强,所以其在酿酒酵母细胞表面的组装研究受到越来越多的关注,为了更深入透彻地了解纤维小体的酵母展示技术,文中对纤维小体的结构与功能及其在纤维素乙醇发酵中的应用研究进行重点论述,并对该领域的发展方向进行展望。     

梭热杆菌纤维小体研究进展

梭热杆菌(Clostridium thermocellum)是一种嗜热厌氧细菌,通过分泌大量纤维素酶高效降解纤维素.根据作用纤维素的不同部位,梭热杆菌分泌的纤维素酶分为内切纤维素酶和外切纤维素酶.纤维小体是由支架蛋白、锚定元件、黏合蛋白、纤维素结合域和催化单位组成的复合体,其独特的结构,使得它可以比真菌纤维素酶更紧密地结合到纤维素表面,这个复合结构结合着多种催化单位,而此特殊的结构是梭热杆菌高效降解纤维素的必要条件.近年来,为更深入透彻地了解纤维小体的结构与功能进行了大量的研究工作,现对相关研究进展进行综述,并给出了未来可能的发展方向.     

嗜热菌在纤维素乙醇中的研究进展及应用前景

利用纤维素生产乙醇的研究中,传统的中温微生物在基质范围、酶活性及热稳定性等方面存在不足,难以满足工业需求.嗜热菌具有独特的降解纤维素、半纤维素和生产乙醇的耐高温酶系和代谢途径,不但热稳定性高、而且底物范围广泛,在生物质能学领域有重要的研究价值和应用潜力.综述了在纤维素乙醇研究中具有潜力的嗜热菌的种类、特性、代谢机理和研究进展,并对嗜热菌的应用前景进行了分析与展望.     

β-木糖苷酶及其在纤维素乙醇生产中的应用研究进展

将木质纤维素类生物质生物转化生产液体燃料,如纤维素乙醇和大宗化学品,对缓解当前人类社会面临的能源和资源危机以及保护环境具有重要意义.半纤维素是木质纤维素类生物质的主要组成成分之一,它的生物降解转化对实现木质纤维素生物炼制意义重大.由于半纤维素糖种类的多样性和半纤维素结构的复杂性,需要一个复杂的半纤维素酶系才能完成对半纤...     

木质纤维素原料酶水解产乙醇工艺的研究进展

木质纤维素原料预处理后,经水解、发酵等过程,可生产乙醇作为清洁燃料,这大大提高了农业和林业废弃物的利用率,减轻了环境污染,并为经济的可持续发展提供了保证。目前木质纤维素酶水解因其具有明显优势而受到重视,被普遍研究和采用。综述了近年来木质纤维素原料的预处理方法、酶与水解技术、发酵工艺以及发酵耦合分离技术的最新研究成果。     

统合生物工艺与纤维素分解性高温菌乙醇转化的研究进展

生物乙醇是可再生的绿色能源,作为可以完全或部分替代化石能源的新型能源,近年来受到了世界各国的关注.木质纤维素作为生物乙醇的生产原料具有巨大的市场潜力,而统合生物工艺(CBP)能有效降低木质纤维素乙醇的生产成本,为纤维素乙醇的工业化生产提供了新的工艺思路.主要介绍利用高温纤维素分解菌的统合生物工艺策略以及国内外对高温纤维素分解茵代谢工程研究的最新进展.     

兼性厌氧复合菌群H纤维素降解和产乙醇能力及生态组成初探

通过限制性培养条件和连续继代培养,筛选获得了一组具有高效稳定降解纤维素能力的复合菌群H。该菌群在传代30代以上仍能保持各项性状稳定,其工作pH为6～9,3 d可以完全降解置于100 mL PCS缓冲液培养基中的滤纸,发酵液中能够检出1.54 g/L乙醇。通过16S rDNA扩增和DGGE的方法,对菌群在不同阶段的微生物组成进行了研究,确定了琥珀酸嗜热梭菌Clostridium thermo succinogene、产气荚膜梭菌Clostridium straminisolvens和紫色板蓝根梭菌Clostridium isatidis等多种可直接实现纤维素到乙醇转化的菌株。菌群通过菌种之间的协同作用,共同维持了体系的稳定及降解能力的稳定。明确菌系的组成,对于进一步研究菌群降解机理、优化菌群和提高乙醇产率意义重大。     

纤维二糖脱氢酶的纤维素降解中的作用研究

裂褶菌纤维二糖脱氢酶（ｃｅｌｌｏｂｉｏｓｅ ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅ,ＣＤＨ）可以提高纤维素酶对纤维素的降解。以纤维二糖为电子供体,ＣＤＨ作用于羧甲基纤维可降低其溶液的粘度,作用纤维素ＣＦ１１和磷酸膨胀纤维素,分别使其悬浊液的浊度提高７％和１４．４％。ＣＤＨ与纤维二糖水解酶或切纤维素酶在降解棉花纤维素时没有表现出协同作用。但若棉花事先在纤维二糖存在下用ＣＤＨ预处理,则变得易于被水解。     

解纤维梭菌纤维小体黏附域与锚定域相互作用的差异性

黏附域(cohesin)与锚定域(dockerin)的相互作用是纤维素酶复合体-纤维小体(cellulosome)组装的基础,该作用是自然界已知最强的相互作用力之一。为解析纤维小体的装配机制,本研究以解纤维梭菌(Ruminiclostridium cellulolyticum)纤维小体为研究对象,通过Pull-down和等温滴定量热(ITC)的方法,分析并比较不同簇的3个黏附域与7个锚定域之间的相互作用。结果表明,不同簇黏附域与锚定域的相互作用具有显著差异。其中,Coh1与Doc-0729的相互作用最强,K_a为10⁸ M^-1,Coh7与Doc-0729、0931作用力强,K_a为10⁷ M^-1,而Coh8与Doc-0931、1656、0752作用强,K_a也达到10⁷ M^-1。总之,Doc-0729、0931、1656与3个Coh的结合力均较高。本研究揭示了纤维小体黏附域与锚定域的组装具有偏爱性...     

酿酒酵母L-阿拉伯糖转化乙醇代谢工程的研究进展

L-阿拉伯糖是木质纤维素原料中一种重要的五碳糖组分,但传统的乙醇生产菌株酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)不能利用L-阿拉伯糖。通过代谢途径工程手段,在酿酒酵母中引入L-阿拉伯糖初始代谢途径可以获得能利用L-阿拉伯糖乙醇发酵的重组菌株。并且,通过代谢途径的疏通以及吸收系统的优化可以强化重组菌株代谢L-阿拉伯糖的能力。笔者从以上角度综述了近年来酿酒酵母转化L-阿拉伯糖生产乙醇的研究进展。     

酿酒酵母人造纤维小体的研究进展

纤维素乙醇的统合生物加工过程(consolidated bioprocessing,CBP)是将(半)纤维素酶生产、纤维素水解和乙醇发酵过程组合,通过一种微生物完成的生物加工过程。CBP有利于降低生物转化过程的成本,受到研究者的普遍关注。酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)作为传统的乙醇生产菌株,是极具潜力的CBP底盘细胞。纤维小体是某些厌氧微生物细胞表面由纤维素酶系与支架蛋白组成的大分子复合物,它能高效降解木质纤维,在酿酒酵母表面展示纤维小体已成为构建CBP细胞的研究热点。笔者综述了人造纤维小体在酿酒酵母细胞表面展示组装的研究进展,重点阐述了纤维小体各元件的设计和改造,并针对酿酒酵母分泌途径的改造,提出提高人造纤维小体分泌组装的可能性策略。     

纤维素乙醇的生物炼制及研究进展

纤维素乙醇是以农业废弃生物质中的纤维素为主要原料、通过微生物发酵转化而成的生物燃料产品。作为一种绿色可再生替代能源,纤维素乙醇具有显著的能量收益和碳减排效益,对保障我国可持续发展、能源安全以及环境友好意义重大。然而,纤维素乙醇的生物炼制过程面临着难点和挑战。本文围绕纤维素原料及其预处理、纤维素酶水解和纤维素乙醇发酵工艺3个方面,介绍纤维素乙醇生物炼制的工艺流程及特征,剖析纤维素乙醇生产的主要技术瓶颈,并基于菌株抑制物胁迫耐性、碳源利用以及乙醇合成强化3个方面,总结了近年来纤维素乙醇生物炼制的研究进展,最后对纤维素乙醇未来的研究重点和发展前景进行了展望。     

基因组改组及其在木质纤维素水解液乙醇发酵菌种选育中的应用展望

能高效代谢木质纤维素水解液中的可发酵糖、同时可耐受/分解发酵抑制剂的菌种, 是利用木质纤维素为原料生产燃料乙醇技术的关键。基因组改组技术是近些年发展起来的一项新型育种技术, 该技术已运用于食品和医药行业菌种的改良。本文综述了基因组改组技术的原理、方法、特点、及其运用, 并对其在木质纤维素水解液乙醇发酵菌种选育方面的应用进行了展望。     

重组肠道细菌作为产乙醇生物催化剂的研究进展

以木质纤维素水解液发酵生产的燃料酒精作为一种清洁的可再生能源引起人们极大的关注。本文介绍了燃料酒精工业发展的最新动态,并对多种产乙醇重组肠道细菌的研究进展作了综述。     

纤维二糖脱氢酶在纤维素降解中的作用研究*

裂褶菌纤维二糖脱氢酶（ｃｅｌｌｏｂｉｏｓｅ ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅ, ＣＤＨ）可以提高纤维素酶对纤维素的降解。以纤维二糖为电子供体, ＣＤＨ作用于羧甲基纤维素可降低其溶液的粘度,作用于纤维素 ＣＦ１１和磷酸膨胀纤维素,分别使其悬浊液的浊度提高７％和１４．４％。ＣＤＨ与纤维二糖水解酶或内切纤维素酶在降解棉花纤维素时没有表现出协同作用。但若棉花事先在纤维二糖存在下用ＣＤＨ预处理,则变得易于被水解。     

木质纤维生产燃料乙醇工艺的研究进展

利用丰富而廉价的木质纤维原料代替粮食生产燃料乙醇,对经济和社会的可持续发展有着重要的意义。以木质纤维为原料发酵生产燃料乙醇可分为4种工艺:分步糖水解化发酵法、同步糖化发酵法、同步糖化共发酵法和直接微生物转化法。介绍了以上4种工艺的研究进展,并对今后进一步研究提出了建议。