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(duì)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(kāi)展其與宿主細(xì)胞的適配性研究,，對(duì)獲得的高性能多重抗逆工業(yè)酵母進(jìn)行工業(yè)中試試驗(yàn),，為構(gòu)建多重抗脅迫工業(yè)微生物底盤(pán)細(xì)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(lèi)頂級(jí)國(guó)際期刊《ACS Energy letters》（《美國(guó)化學(xué)會(huì)－能源快報(bào)》,，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(huì)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(wèn)題,，促使人類(lèi)對(duì)新能源的開(kāi)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(dāng)前生產(chǎn)燃料乙醇的核心菌株,。工業(yè)發(fā)酵環(huán)境的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)嚴(yán)重影響燃料乙醇生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)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(shí)驗(yàn)室酵母菌株改造,，未見(jiàn)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(bào)導(dǎo)。
本文通過(guò)對(duì)脅迫過(guò)程的組學(xué)數(shù)據(jù)分析,，建立工業(yè)酵母的脅迫信號(hào)級(jí)聯(lián)傳導(dǎo)模型,；據(jù)此，挖掘不同來(lái)源的抗脅迫基因元件,，運(yùn)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(jìn)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(duì)菌株進(jìn)行細(xì)胞損傷、基因組和轉(zhuǎn)錄組的檢測(cè)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(yuǎn)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(jìn)行中試發(fā)酵實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,，工程菌的乙醇產(chǎn)量分別比對(duì)照提高7.09%,，殘?zhí)橇績(jī)H為對(duì)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(xiàng)指標(biāo)達(dá)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(wàn)元，同時(shí)過(guò)程降耗節(jié)能300萬(wàn)元,。降低液化醪殘?zhí)呛?，?duì)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(shí)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(shí),，積極推動(dòng)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(jì)效益。
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