北理工在多重抗逆防御系統提高釀酒酵母乙醇生產能力方面取得研究成果


  近日,北京理工大學化學與化工學院生化工程系/合成生物系統研究所李春教授課題組以工業釀酒酵母菌株為研究對象,利用代謝工程、合成生物學及高通量篩選等技術,從分子層面構建多重抗逆防御系統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酵母進行工業中試試驗,為構建多重抗脅迫工業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》為題在線發表在能源類頂級國際期刊《ACS Energy letters》(《美國化學會-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化學與化工學院博士生許可和博士后秦磊。

  現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境問題,促使人類對新能源的開發迫在眉睫。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燃料乙醇的核心菌株。工業發酵環境的動態擾動嚴重影響燃料乙醇生產過程的經濟性和綠色指數,其中,高糖醪、高溫、高濃度乙醇等脅迫導致酵母生產性能下降。以工程化思維、借助合成生物學技術手段可以有效改善酵母菌株的抗脅迫性能,提高其在不良環境條件下的生存能力。但目前該領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酵母應用于燃料乙醇發酵生產的報導。

  本文通過對脅迫過程的組學數據分析,建立工業酵母的脅迫信號級聯傳導模型;據此,挖掘不同來源的抗脅迫基因元件,運用合成生物技術構建多重抗脅迫防御系統,將該系統整合到工業釀酒酵母基因組,再采用ARTP進化與高通量篩選結合的方法,得到了在工業液化醪中高產乙醇的菌株。對菌株進行細胞損傷、基因組和轉錄組的檢測分析發現,工程菌株在發酵后期的凋亡率及胞內活性氧水平都遠低于出發菌株,體現了多重抗脅迫防御系統的作用。

  在中糧生化能源有限公司進行中試發酵實驗結果可以看出,工程菌的乙醇產量分別比對照提高7.09%,殘糖量僅為對照的34.9%,工程菌株在乙醇產率、糖醇轉化率、耐高溫、耐高濃度乙醇方面均優于現有工業菌株,37℃高溫發酵產乙醇各項指標達到甚至優于現有菌株32℃發酵結果。企業現有規模僅乙醇年增產值1200多萬元,同時過程降耗節能300萬元。降低液化醪殘糖后,對后期DDGS的生產也有很大幫助。

  該工作有效提高了生物乙醇的生產效率、降低了發酵能耗和生產成本,實現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,積極推動其成果應用,有效提升生物燃料企業技術水平和經濟效益。

  論文詳情:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.9b02681

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