北理工在多重抗逆防御系統(tǒng)提高釀酒酵母乙醇生產(chǎn)能力方面取得研究成果
發(fā)布日期：2020-03-25 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：李亞鑫 審核：張加濤 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院生化工程系/合成生物系統(tǒng)研究所李春教授課題組以工業(yè)釀酒酵母菌株為研究對象，利用代謝工程、合成生物學(xué)及高通量篩選等技術(shù)，從分子層面構(gòu)建多重抗逆防御系統(tǒng)并開展其與宿主細胞的適配性研究，對獲得的高性能多重抗逆工業(yè)酵母進行工業(yè)中試試驗，為構(gòu)建多重抗脅迫工業(yè)微生物底盤細胞提供了新思路和新方法。該研究成果以 《Multilevel Defense System (MDS) Relieves Multiple Stresses for Economically Boosting Ethanol Production of Industrial Saccharomyces cerevisiae》為題在線發(fā)表在能源類頂級國際期刊《ACS Energy letters》（《美國化學(xué)會－能源快報》，影響因子16.331）上。本文的通訊作者為李春教授，共同第一作者為北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士生許可和博士后秦磊。
現(xiàn)今社會石油資源的匱乏及在石油煉制大背景下日益凸顯的環(huán)境問題，促使人類對新能源的開發(fā)迫在眉睫。燃料乙醇是目前全球最主要的液體可再生燃料，釀酒酵母是當前生產(chǎn)燃料乙醇的核心菌株。工業(yè)發(fā)酵環(huán)境的動態(tài)擾動嚴重影響燃料乙醇生產(chǎn)過程的經(jīng)濟性和綠色指數(shù)，其中，高糖醪、高溫、高濃度乙醇等脅迫導(dǎo)致酵母生產(chǎn)性能下降。以工程化思維、借助合成生物學(xué)技術(shù)手段可以有效改善酵母菌株的抗脅迫性能，提高其在不良環(huán)境條件下的生存能力。但目前該領(lǐng)域研究尚處于初始階段，局限于實驗室酵母菌株改造，未見多重抗脅迫工業(yè)酵母應(yīng)用于燃料乙醇發(fā)酵生產(chǎn)的報導(dǎo)。
本文通過對脅迫過程的組學(xué)數(shù)據(jù)分析，建立工業(yè)酵母的脅迫信號級聯(lián)傳導(dǎo)模型；據(jù)此，挖掘不同來源的抗脅迫基因元件，運用合成生物技術(shù)構(gòu)建多重抗脅迫防御系統(tǒng)，將該系統(tǒng)整合到工業(yè)釀酒酵母基因組，再采用ARTP進化與高通量篩選結(jié)合的方法，得到了在工業(yè)液化醪中高產(chǎn)乙醇的菌株。對菌株進行細胞損傷、基因組和轉(zhuǎn)錄組的檢測分析發(fā)現(xiàn)，工程菌株在發(fā)酵后期的凋亡率及胞內(nèi)活性氧水平都遠低于出發(fā)菌株，體現(xiàn)了多重抗脅迫防御系統(tǒng)的作用。
在中糧生化能源有限公司進行中試發(fā)酵實驗結(jié)果可以看出，工程菌的乙醇產(chǎn)量分別比對照提高7.09%，殘?zhí)橇績H為對照的34.9%，工程菌株在乙醇產(chǎn)率、糖醇轉(zhuǎn)化率、耐高溫、耐高濃度乙醇方面均優(yōu)于現(xiàn)有工業(yè)菌株，37℃高溫發(fā)酵產(chǎn)乙醇各項指標達到甚至優(yōu)于現(xiàn)有菌株32℃發(fā)酵結(jié)果。企業(yè)現(xiàn)有規(guī)模僅乙醇年增產(chǎn)值1200多萬元，同時過程降耗節(jié)能300萬元。降低液化醪殘?zhí)呛?，對后期DDGS的生產(chǎn)也有很大幫助。
該工作有效提高了生物乙醇的生產(chǎn)效率、降低了發(fā)酵能耗和生產(chǎn)成本，實現(xiàn)了微生物制造體系的高效性，在建立新方法、獲得新菌株的同時，積極推動其成果應(yīng)用，有效提升生物燃料企業(yè)技術(shù)水平和經(jīng)濟效益。
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