伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的一组科学家开发了一种使用工程酵母的生物工艺,该工艺可以将由醋酸盐和木糖组成的植物物质完全有效地转化为高价值的生物产品

“超级酵母”将植物材料转化为有价值化学品,减少石油的使用

木质纤维素是赋予植物细胞结构的木质材料,是地球上最丰富的原材料,长期以来一直被视为可再生能源的来源。它主要包含醋酸盐以及葡萄糖和木糖,所有这些都在分解过程中释放出来。


在Nature Communications上发表的一篇论文中,该团队描述了其工作,该工作提供了一种可行的方法来克服阻碍木质纤维素生物燃料商业化的主要障碍之一:醋酸盐对酵母等发酵微生物的毒性。


这是证明木糖和醋酸盐在生物燃料生产中的高效和完全利用的第一种方法,食品科学和人类营养学教授 Yong-Su Jin 说。作为 Carl R. Woese 基因组生物学研究所的附属机构,Jin 与论文的第一作者、当时的研究生梁孙一起领导了这项研究。


他们的方法充分利用了柳枝稷细胞壁中的木糖和乙酸盐,将不需要的副产品中的乙酸盐转化为有价值的底物,从而提高了酵母在水解液中转化糖的效率


我们发现我们可以使用被认为是有毒、无用的物质作为木糖的补充碳源,以经济地生产精细化学品,例如三乙酸内酯或 TAL 和维生素 A,它们源自相同的前体分子,乙酰辅酶A,金说。

“超级酵母”将植物材料转化为有价值化学品,减少石油的使用

Sun 目前是威斯康星大学麦迪逊分校的博士后,他说,TAL 是一种通用平台化学品,目前通过精炼石油获得,用于生产塑料和食品成分。


在早期的工作中,合著者 Soo Rin Kim,当时是能源生物科学研究所的研究员,设计了一种酵母酿酒酵母菌株,以快速有效地消耗木糖。Kim 目前是韩国庆北国立大学的教员。


在目前的研究中,他们使用在 U. of I. Energy Farm 收获的柳枝稷来制造半纤维素水解物。工程酵母细胞用于发酵水杨酸盐中的葡萄糖、木糖和醋酸盐。


当葡萄糖和醋酸盐一起提供时,酿酒酵母迅速将葡萄糖转化为乙醇,从而降低细胞培养物的 pH 值。然而,醋酸盐的消耗受到强烈抑制,导致培养物在低 pH 条件下对酵母细胞产生毒性。


当木糖与醋酸盐一起提供时,这两种碳源形成了协同作用,促进了两种化合物的有效代谢,孙说,木糖支持细胞生长并为醋酸盐同化提供足够的能量。因此,酵母可以非常有效地代谢作为底物的醋酸盐以产生大量的 TAL。


Sun 说,与此同时,随着醋酸盐的代谢,培养基的 pH 值增加,这反过来又促进了酵母对木糖的消耗。


Sun 说,当他们通过 RNA 测序分析酿酒酵母的基因表达时,他们发现与葡萄糖相比,木糖显着上调了参与乙酸盐吸收和代谢的关键基因。


同时喂食醋酸盐和木糖的酵母细胞积累了更多的生物量,脂质和麦角甾醇的水平分别增加了 48% 和 45%。麦角甾醇是一种真菌激素,在发酵过程中的应激适应中起着重要作用。


Sun 说,共同利用醋酸盐和木糖还增加了酵母对乙酰辅酶 A(麦角甾醇和脂质的前体分子)的供应,并提供了一条代谢捷径,将醋酸盐转化为乙酰辅酶 A,使 TAL 生产更近一步。


通过共同利用木糖和乙酸盐作为碳源,我们能够显着提高 TAL 产量,比以前使用工程酿酒酵母报告的产量高 14 倍,Sun 说,我们也采用了这种策略来生产维生素 A,这证明了它有可能过度生产其他源自乙酰辅酶 A 的高价值生物产品,例如类固醇和类黄酮。


由于该过程充分利用了木质纤维素生物质中的碳源,因此 Jin 和 Sun 表示,它可以无缝集成到纤维素生物精炼厂中。


这是关于我们社会的可持续性,孙说,我们需要充分利用这些未开发的资源来建设可持续发展的未来。我们希望在 50 或 100 年后,我们将主要依靠这些可再生且丰富的原料来生产我们日常生活所需的能源和材料。


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