过表达tRNA基因tL(CAA)K提高酿酒酵母乙酸耐受性

乙酸是木质纤维素类生物质水解液中的常见毒性抑制物,选育乙酸耐受性好的酿酒酵母菌株,有利于高效利用木质纤维素类生物质,发酵生产生物燃料和生物基化学品。目前对酿酒酵母抗逆性的研究多集中在转录水平,但对转运RNA (Transfer RNA,tRNA) 在耐受性中的作用研究较少。在对酿酒酵母抗逆性研究过程中发现,一些转运RNA基因在耐受性好的酿酒酵母菌株中转录明显上调。本文深入分析了精氨酸tRNA基因tR(ACG)D和亮氨酸tRNA基因tL(CAA)K过表达对酿酒酵母耐受木质纤维素水解液的影响。结果表明,在4.2 g/L乙酸胁迫条件下进行乙醇发酵时,过表达tL(CAA)K的菌株生长和发酵性能均优于对照酵母菌株,乙醇生产强度比对照菌株提高了29.41%,但过表达tR(ACG)D基因的菌株生长和代谢能力较对照菌株明显降低,体现了不同tRNA的不同调控作用。进一步分析发现,过表达tL(CAA)K的重组酵母菌株乙酸耐受性调控相关基因HAA1、MSN2和MSN4等胁迫耐受性相关转录因子编码基因的转录水平上调。本文的研究为选育高效利用木质纤维素资源进行生物炼制的酵母菌株提供了新的改造策略,也为进一步揭示酿酒酵母tRNA基因表达调控对抗逆性的影响提供了基础。     

木质纤维素预处理抑制物产生及脱除方法的研究进展

利用纤维素酶将木质纤维素降解成可发酵性糖,然后发酵生产氢气、乙醇、丁醇等生物燃料及高附加值产品,是当今全球研究的热点。预处理是生物质转化过程中至关重要的步骤,而预处理过程中产生的抑制物对木质纤维素后续的酶解和发酵微生物有负面影响。因此了解预处理方法及其过程中产生的抑制物及脱除方法是能否高效转化生物质的基础。文中首先介绍了木质纤维素常用的两类预处理方法即化学法和物理化学法。随后阐述了不同抑制物的产生及其抑制机制,并重点介绍了多种脱毒方法。最后展望了脱除木质纤维素预处理抑制物的研究趋势:应用交联聚乙烯亚胺和金属有机骨架化合物等新型材料脱除抑制物或通过基因工程、代谢工程技术等构建抑制物耐受性菌株等。     

过程工程在木质纤维素发酵抑制物解除中的应用

发酵抑制物对宿主细胞产生毒害作用,是木质纤维素生物炼制的主要瓶颈之一。减少抑制物含量、解除抑制作用是提高发酵效率的重要环节。本文讨论了木质纤维素发酵抑制物的来源、组成、特点以及相应的解除方法,提出了"源头降低抑制物—纤维素木质素分级转化"炼制模式和"发酵促进剂设计技术",为木质纤维素发酵抑制物的解除及木质纤维素开发利用提供了全新的技术路线。     

纤维素乙醇生物加工过程中的抑制物对酿酒酵母的影响及应对措施

以木质纤维素为原料生产乙醇,预处理是必需的环节,这一过程中不可避免产生了多种对微生物有抑制作用的化合物,这些抑制物主要有3大类:弱酸、呋喃醛类和酚类化合物。这些化合物影响后续乙醇发酵微生物酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的生长及发酵性能,降低了乙醇的得率和产量,是木质纤维素原料大规模生产乙醇的一个主要障碍。以下介绍了3类抑制物的形成及作用机制,并介绍了应对抑制物作用、提高酵母发酵能力的措施及研究进展,包括发酵前预处理原料脱毒、通过进化工程驯化菌种或通过对抑制物耐受性相关基因的代谢工程操作提高酿酒酵母耐受性,及通过发酵过程控制减少抑制物影响等。     

生物法脱除木质纤维素水解液中抑制因子的最新研究进展

实现从木质纤维素原料到燃料和高附加值化学品的生物转化,预处理是一个非常重要的步骤.酸解或蒸汽爆破等热-化学预处理过程会在水解液中生成或释放有机酸类、糠醛类和酚类化合物等抑制因子.这些抑制因子对发酵微生物具有毒性,会显著降低发酵产品的产率和生产强度.生物法去除木质纤维素水解液中的抑制因子具有操作简便以及不产生废水、废物等优点.生物脱毒法可分为两类:一类是通过向木质纤维素水解液中添加微生物或酶制剂,在发酵前去除抑制因子;另一类方法是通过遗传改造或适应性进化提高发酵菌株对抑制因子的生物降解能力,从而提高木质纤维素水解液的发酵性能.将着重以乙醇生产为例,介绍如何通过生物脱毒的方法提高木质纤维素水解液发酵的得率和生产强度.     

酵母对木质纤维素酸解物中抑制物的应答及菌株开发

木质纤维素稀酸预处理过程中产生的抑制物会干扰酵母细胞的生长和发酵。根据酵母对抑制物应答的特点,开发那些能够对抑制物原位脱毒的高耐受性菌株,是生物质乙醇转化工业可持续发展的关键。综述了木质纤维素稀酸预处理过程中抑制物的产生、分类、对酵母的影响以及酵母对其应答的特点,结合系统生物学和基因工程方法从酵母耐受的角度探讨了耐受性优势酵母菌株的开发。     

氧化还原敏感型基因元件增强酵母木质纤维素水解液抑制物胁迫耐受性

纤维素乙醇作为一种清洁可再生的绿色能源，具有良好的应用前景。然而酿酒酵母利用木质纤维素原料生产乙醇的发酵过程易受多种抑制物胁迫的影响，因此提高其胁迫耐受性具有重要意义。本研究在细胞内设计了一种氧化还原敏感型基因元件，通过生物传感器Yap1感应胞内氧化还原状态，以调控抗胁迫基因智能表达。首先，分析了Yap1调控的天然内源启动子P_TRR1、P_TRX2和P_MET16对木质纤维素水解液中典型抑制物的响应强度。其次，根据不同胁迫种类组合相应启动子与抗胁迫的效益基因，构建氧化还原敏感型基因元件提高了酿酒酵母的胁迫耐受性。最后，将表现较好的基因元件GP-CTT和GP-ADH串联整合到一起构建了双基因元件系统，在5-HMF和H₂O₂双重胁迫下细胞的死亡率与野生型相比下降了69.6%。相较于单基因元件GP-CTT，双基因元件整合菌株的比生长速率、葡萄糖消耗速率和乙醇生产速率分别提高了64.2%、60.1%和58.9%，重组菌株过氧化氢酶的酶活力提高了40.2%。本研究通过理性设计氧化还原敏感型基...     

糠醛和5-羟甲基糠醛对大肠杆菌产丁二酸的影响

利用可再生生物质特别是木质纤维素水解液来生产平台化合物丁二酸,是目前研究的热点。虽然许多研究者相继报道了木质纤维素水解液对菌株生长和丁二酸生产存在一定抑制作用,但并没有水解液中各种抑制物对菌株影响的相关动力学研究及机理研究。我们选择了两种代表性木质纤维素水解液抑制物,即糠醛和5-羟甲基糠醛,系统研究了它们对大肠杆菌的生长和丁二酸生产的影响。结果表明：糠醛和5-羟甲基糠醛的初始抑制浓度均为0.8 g/L。当糠醛浓度大于6.4 g/L,5-羟甲基糠醛浓度大于12.8 g/L时,菌株生长完全受到抑制。在最高耐受浓度下,糠醛的存在使菌株生物量比对照菌株下降77.8%,丁二酸产量下降36.1%。5-羟甲基糠醛的存在使菌株生物量比对照菌株降低13.6%,丁二酸产量降低18.3%。糠醛和5-羟甲基糠醛具有明显的协同作用。体外酶活测定表明丁二酸生产途径中关键酶磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、苹果酸脱氢酶、富马酸还原酶均受糠醛和5-羟甲基糠醛抑制。研究结果对丁二酸生产用纤维素水解液的预处理和脱毒工艺开发具有指导作用,有利于实现丁二酸发酵生产的工业化。     

利用木质纤维素生产丁醇的研究进展

随着化石燃料的逐年减少,以生物质为原料的生物能源研究近年来成为能源领域的研究热点,充分利用可再生生物质为发展经济的生物燃料生产工艺提供了一个极好的机会。与燃料乙醇和生物柴油相比,生物丁醇更具有优越性,以可再生木质纤维素生物质为原料进行发酵生产丁醇在近年来被广泛的研究。对于利用可再生生物质为原料生产丁醇,需要解决原料的选择、产品收率低、抑制物对生产菌株毒性等问题。本文对以木质纤维素生物质为原料进行生物丁醇发酵过程中的原料预处理、抑制物对丁醇生产菌的影响,以及水解液的脱毒和耐抑制物菌株的选育等方面进行综述,并对以木质纤维素生产燃料丁醇所面临的机遇与问题进行了简要评述。     

过表达MRP8提高酿酒酵母乙酸耐性及乙醇发酵效率

乙酸是木质纤维素水解液中含量较多的抑制物,因此提高酿酒酵母菌株对乙酸的耐受性有助于提高纤维素乙醇生产效率。本文中,笔者利用基于CRISPR/Cas9系统的基因组编辑技术过表达了酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)S288c线粒体核糖体蛋白编码基因MRP8,并比较了过表达MRP8的菌株与对照菌株的生长和发酵特性。平板耐性检测发现,MRP8过表达明显提高了菌株的乙酸胁迫耐受性;乙醇发酵结果表明,在4.8 g/L乙酸胁迫条件下,过表达菌株MRP8-3在51 h消耗全部的葡萄糖,发酵时间缩短了25 h,显著优于相同时间的对照菌株。本研究结果为构建高效纤维素乙醇发酵的酿酒酵母菌株提供了新思路。     

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。     

耐糖β-葡萄糖苷酶基因的挖掘、突变及应用研究进展

降低木质纤维素生物炼制的用酶成本,对推动木质纤维素的绿色利用至关重要。作为纤维素水解过程中的限速酶,β-葡萄糖苷酶酶解活性受高浓度葡萄糖的胁迫抑制。目前,挖掘和突变耐糖β-葡萄糖苷酶的基因是解决这一问题的重要策略。本综述总结了近年来在耐糖β-葡萄糖苷酶基因的挖掘、酶耐糖分子机制的分析、旨在提高酶耐糖性能的酶基因突变以及基于β-葡萄糖苷酶基因的微生物菌株基因工程改造等方面所取得的进展,并进行了展望。本综述为构建高产耐糖β-葡萄糖苷酶的基因工程菌株提供参考,这对推动木质纤维素生物炼制工业化进程具有重要意义。     

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。     

大肠杆菌乙酸耐受性菌株的构建及其耐受机制研究进展

乙酸是微生物发酵生产常见的副产物,也可作为碳源存在于木质纤维素水解液等非粮原料发酵培养基中。培养基中含有高浓度的乙酸/乙酸盐时会抑制细胞生长、降低生物量,影响目标产品的产量和产率。研究乙酸耐受性机制,改进菌株的乙酸耐受性,构建具有高乙酸耐受性工程菌株,对于以乙酸为碳源或利用含乙酸的原料进行高附加值产品发酵生产具有重要意义。本文综述了通过代谢工程、实验室适应性进化、全局转录机器工程和基于CRISPR可追踪基因组工程等方法构建大肠杆菌乙酸耐受性菌株的研究进展,进一步从乙酸同化代谢、氨基酸依赖型代谢、离子转运系统调节和细胞膜成分修饰等4个方面阐述了大肠杆菌乙酸耐受性菌株的耐受性应答机制,总结了大肠杆菌乙酸耐受菌株的生产应用,展望了提高大肠杆菌乙酸耐受方法和大肠杆菌乙酸耐受机制的研究方向。     

木质纤维素水解副产物对乙醇发酵的影响及应对措施

利用木质纤维素原料生产燃料乙醇,预处理是必需的环节,在预处理过程中会产生一些对微生物生长和发酵有抑制作用的化合物,这些抑制剂可分为3类:呋喃醛类化合物、酚类化合物和弱酸。近些年来,关于抑制剂的研究取得了一些重要的研究进展。介绍了各种抑制剂的产生、作用机理及近几年的相关研究成果;阐述了应对抑制剂影响的多种措施,包括采用新型的预处理方式在源头上控制抑制剂的产生、发酵前利用有效的脱毒方法减少抑制剂的浓度、耐受抑制剂的菌株的选育、通过发酵过程的控制有效减少抑制物的毒害作用等。目前,大量研究集中在抑制剂耐受性菌株的开发上,总结了通过诱变、驯化、代谢工程改造等方法以及这些方法的联用选育耐受性菌株的研究成果及进展,指出对微生物进行代谢工程改造是克服抑制剂对乙醇发酵影响的最有前途的方法,并对将来的研究方向进行了展望,以期为该领域研究人员提供方法的参考。     

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。     

应用生物技术降解木质纤维素水解液中呋喃醛

木质纤维素是地球上储量最为丰富的可再生有机碳资源,但由于其结构的复杂性,必须经过一系列预处理过程才能被微生物高效利用,这就不可避免地带来了呋喃醛等典型抑制物,严重阻碍了微生物的生长和后续发酵过程。认知微生物的呋喃醛代谢途径,并基于此开发耐受性和转化能力强的微生物菌株是生物炼制领域的重要研究内容。文中综述了呋喃醛抑制物的来源、呋喃醛对微生物的抑制机理以及微生物降解呋喃醛的代谢途径,并重点讨论了基于生物法降解呋喃醛抑制物的研究进展,涉及的主要技术手段包括传统的适应性进化工程和代谢工程,以及近年来新兴的微生物共培养系统和功能化材料辅助微生物脱除呋喃醛等。     

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。     

微生物利用木质纤维素的研究进展

木质纤维素原料是世界上最为丰富的资源之一,可用作微生物发酵生产高附加值生物化学品的原料。与传统用于微生物发酵的可食用生物质原料相比,目前微生物利用木质纤维素还存在以下几个关键问题:开发经济有效的木质纤维素预处理工艺、提高微生物对木质纤维素水解液中第二大单糖木糖的有效利用水平、增强微生物对木质纤维素水解液中混糖的综合利用能力以及提高微生物对木质纤维素水解液中糠醛、乙酸等发酵抑制物的耐受能力。综述了近年来国内外针对这几个关键问题的最新研究成果。为今后微生物大规模利用木质纤维素进行商业生产提出了展望和建议。     

低水用量约束条件下的高固体含量纤维乙醇生物加工技术策略

木质纤维素原料生物转化生产纤维乙醇需要使用大量的水和蒸汽,从而使过程能耗和废水排放显著增加,大幅度增加了加工成本。最大限度地降低水和蒸汽用量对过程节能和废水减排并对最终成本控制极为重要。对极限低水用量约束条件下木质纤维素生物转化关键路径进行了实验研究和计算分析,确定了极低水和蒸汽用量的新型预处理技术,实现高效率预处理过程的废水零排放;采用独特的生物脱毒技术,用从自然界筛选的煤油霉菌Amorphotheca resinae ZN1对预处理原料中的抑制物进行了快速生物脱毒;对极限高固体含量下高粘度多相流物系在复杂抑制物胁迫下的酶水解与发酵行为以及放大准则进行了研究;建立了基于Aspen plus平台上的生物质加工物性数据库和严格热力学意义上的全过程流程模拟数学模型,实现了对过程的局部和全局设计与调优。这一综合技术在生物炼制微型工厂中进行了测试,并在纤维素乙醇工业示范装置中得到了应用。该研究结果将为构建具有工业实用价值的节能和清洁化木质纤维素生物转化技术提供依据。