随着去年国家发改委、国家能源局、财政部等十五部门联合印发的《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》的颁布,生物乙醇的商业化开发又重新成为学术及工业界关注的热点。以木质纤维素为原料(典型的如玉米秸秆)的二代燃料乙醇具有显著降低温室气体排放等优点,是生物乙醇发展的重点。提高其经济性关键在于开发能将玉米秸秆水解液中全糖,特别是酿酒酵母天然无法利用的戊糖(木糖和阿拉伯糖)吃干榨净的菌株。近日中国科学院植物生理生态研究所合成生物学重点实验室杨晟研究员团队利用反向代谢工程技术,解析了利用实验室进化(驯化)手段获得木糖-阿拉伯糖共利用酿酒酵母的机制,有望加速商业化燃料乙醇酵母菌种开发进程。相关研究成果近期发表于生物化工领域老牌期刊《Biotechnology and Bioengineering》上。

在该研究中,工作人员基于实验室前期开发的木糖酵母菌株CIBTS0735Diao et al. BMC Biotechnology 2013, 13:110,在其染色体整合单一拷贝的阿拉伯糖代谢基因表达盒AUCL-Arabinose Utilization Cassette,简称AUC),包括3个途径基因araABD2个转运体表达基因GAL2STP2,完成整合的菌株基本无法代谢阿拉伯糖,在以阿拉伯糖为唯一碳源的培养基驯化后菌株表型明显提升,但机制不明。对驯化前后菌株进行比较基因组分析,发现整合的AUC拷贝由1个显著增加到12个。除此以外还有11SNP5InDel变化。鉴于与阿拉伯糖代谢直接相关的AUC拷贝数增加如此明显,推测其显著扩增同菌株阿拉伯糖代谢能力提升存在重要关联。为验证该假设,研究人员首先敲除驯化后菌株染色体上全部12个拷贝AUC,菌株阿拉伯糖利用表型丧失,表明高拷贝AUC对菌株利用阿拉伯糖很重要。在该AUC全缺失菌株及驯化前菌株CIBTS0735染色体上分别迭代整合高拷贝AUC,菌株阿拉伯糖代谢能力同AUC拷贝数呈正相关,特别的,含有相同AUC拷贝数的不同背景(驯化前vs驯化后)菌株阿拉伯糖代谢能力相同,表明高拷贝AUC是菌株获得阿拉伯糖快速代谢能力的充要条件。继续整合AUC拷贝数到14,菌株阿拉伯糖代谢能力进一步提升,以上结果表明可基于木糖酵母,理性获得与驯化相比表型持平甚至更优的阿拉伯糖酵母。最后研究人员还测试了AUC包含的2个转运体对菌株代谢阿拉伯糖的贡献,发现拟南芥来源的阿拉伯糖转运体Stp2p非必需,即在12拷贝Gal2p存在条件下,Stp2p 作用被掩盖。表明整合高拷贝araABD+GAL2  4基因,即可快速构建阿拉伯糖酵母。

该研究首次解析了驯化促进木糖酵母阿拉伯糖利用表型提升的机制,可为相关领域研究提供借鉴。特别是目前燃料乙醇酵母菌株多为单一木糖利用表型,传统的在此基础上叠加阿拉伯糖利用表型必须依赖驯化,耗时费力,本研究有望加速木糖-阿拉伯糖共利用的燃料乙醇酵母菌种开发。该论文第一作者是王心博士,通讯作者是杨晟研究员和蒋宇副研究员。杨晟课题组在燃料乙醇领域深耕多年,相关菌种开发经验丰富,技术手段成熟。前期开发的木糖酵母菌株性能优良,已在巴西等国商业化运行。该论文成功发表进一步奠定了其在二代燃料乙醇领域的优势地位。


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