利用酵母菌生产有机酸的研究进展

有机酸是含有一种或多种低分子量酸性基团(如羧基、磺酸基)的可生物合成的有机化合物,广泛应用于食品、农业、医药、生物基材料工业等领域。酵母菌具有生物安全、抗逆性强、底物谱广泛、方便遗传改造,以及大规模培养技术成熟等独特优点,因此利用酵母菌生产有机酸的研究日益受到国内外学者的关注。目前利用酵母生产有机酸还存在浓度低、副产物多,以及发酵效率低等缺陷。随着酵母菌代谢工程和合成生物学技术的发展,利用酵母菌生产有机酸取得了快速进展。本文总结了利用酵母合成11种有机酸的研究,包括内源和异源合成的大宗羧酸和高价值有机酸,并对该领域的未来研究方向进行了展望。     

一步法发酵菊芋生产乙醇

利用马克斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)YX01具有菊粉酶生产能力且乙醇发酵性能良好的特点,直接发酵菊粉生成乙醇.在摇瓶中考察了该菌株最适发酵温度,进而在2.5L发酵罐中考察了通气量和底物浓度的影响.实验结果表明:该菌株最适发酵温度为35℃;在通气量为50 mL/min和100 mL/min时菌体生长加快,发酵时间缩短,但在不通气条件下糖醇转化率明显提高;在菊粉浓度235 g/L时,发酵终点乙醇浓度达到92.2 g/L,乙醇对糖的得率为0.436,为理论值的85.5%.在此基础上,使用近海滩涂种植海水灌溉收获的菊芋为底物,以批式补料方式直接发酵菊芋干粉浓度为280 g/L的底物,发酵终点乙醇浓度为84.0 g/L,乙醇对糖的得率为0.405,为理论值的80.0%.这些研究工作,为以菊芋为原料的燃料乙醇技术开发奠定了基础.     

不同宿主来源的重组酿酒酵母混合糖代谢比较

【目的】研究不同工业酿酒酵母宿主背景对重组酵母木糖利用效率的影响。【方法】将木糖利用途径的木糖还原酶(XR)、木糖醇脱氢酶(XDH)和木酮糖激酶(XK)编码基因串联后分别转入3株不同的工业酿酒酵母中,得到重组酵母ZQ1、ZQ5和ZQ7。分别对3个木糖途径代谢基因的表达水平、酶活和重组菌株的木糖发酵效率进行比较。【结果】重组菌株在木糖代谢基因转录、酶活性和木糖利用性能方面有很大差异,其中ZQ5木糖代谢能力最强,ZQ7其次,ZQ1木糖利用能力最弱。ZQ7在初始木糖浓度为20 g/L时木糖利用速率快于ZQ5,表明木糖浓度对重组菌发酵性能评价具有影响。【结论】不同菌株的遗传背景和木糖浓度对重组菌木糖利用的影响很大,评价重组酵母的木糖利用需考虑宿主的遗传背景和底物浓度的影响。     

人工锌指蛋白介导调控的里氏木霉纤维素酶生产

里氏木霉Trichoderma reesei Rut-C30是目前研究最广泛的纤维素酶生产菌,选育高产纤维素酶的里氏木霉菌株有助于提高木质纤维素资源生物炼制的经济性。利用人工锌指蛋白文库转化T.reeseiRut-C30,筛选获得了两株高产纤维素酶的突变株T. reesei M1和M2,与出发菌株比较,突变株M1和M2滤纸酶活分别提高100%和53%,且M1突变株外泌蛋白量提高69%,M2内切纤维素酶活提高64%。实时定量PCR分析结果表明,与对照菌株相比,突变株M1和M2中主要纤维素酶基因转录均上调,但不同酶基因在两株菌中有不同的变化特征。此外,纤维素酶抑制转录因子基因ace1在两株突变株中都转录下调,而纤维素酶正调控转录因子基因xyr1仅在M1突变株中上调。以上结果表明,不同人工锌指蛋白对纤维素酶活性的影响具有多样性。对这些突变体中人工锌指蛋白靶基因进行深入分析,为进一步深入探究里氏木霉纤维素酶合成调控的机理,以及利用代谢工程选育更高效的产酶菌株提供了基础。     

耐低温酵母Curvibasidium rogersii菌株在松萝样品中的首次分离鉴定及基于基因组分析的生物特性探究

【目的】对西藏松萝地衣来源的两株非常规酵母进行分离鉴定,并通过基因组序列分析探究其生物学特性和应用潜力。【方法】从西藏来源的松萝地衣样品内部分离得到2株耐低温酵母菌株,通过26S D1/D2和ITS序列比对分析以及生理生化实验进行菌种鉴定;通过全基因组序列分析和验证探究菌株的生物特性。【结果】两株酵母菌株经鉴定均为Curvibasidium rogersii,可以在10℃低温良好生长,在20℃生长最佳,25℃及以上温度生长缓慢或不生长。对其进行基因组测序和基因组挖掘,测序结果发现,其基因组注释出功能的部分与产油脂的低温酵母白冬孢酵母Leucosporidium creatinivorum具有最高相似性,尼罗红染色发现两株酵母都能够生产油脂,另外在基因组序列中还发现了可能参与木糖代谢的相关蛋白编码基因,实验证明两个酵母菌株可以利用木糖生长。【结论】首次分离鉴定了来自西藏松萝的酵母C. rogersii,为充分开发利用松萝和其他地衣来源微生物,以及利用可代谢木糖的新资源酵母生产微生物油脂提供了基础。     

絮凝颗粒粒度分布对自絮凝酵母SPSC01乙醇耐受能力的影响

利用激光聚焦反射式颗粒测量系统, 通过调节不同的搅拌速率, 得到了分批补料培养条件下粒度分布不同的四个絮凝酵母SPSC01颗粒群体, 进而对絮凝颗粒群体分布对乙醇耐受性进行了系统研究。经过6 h、20%乙醇的冲击, 颗粒粒度为100、200、300和400 mm的自絮凝酵母SPSC01的存活率分别为3.5%、26.7%、48.8%和37.6%。这表明不同粒度分布的絮凝颗粒群体乙醇耐受性具有明显差别, 在一定粒度范围内乙醇耐受性达到最高, 乙醇耐受性最高的酵母群体的乙醇得率系数85.5%, 比乙醇耐性最低的颗粒群体提高了7.2%。粒度为100、200和300 mm的自絮凝酵母颗粒群体总麦角固醇、游离麦角固醇及海藻糖含量与粒度大小成正相关, 但在粒度为400 mm的絮凝颗粒群体中总麦角固醇、游离麦角固醇及海藻糖含量呈下降趋势, 与其乙醇耐性低于300 mm絮凝颗粒的结果相一致。对细胞膜透性的研究表明, 颗粒粒度为300 mm的絮凝酵母颗粒细胞膜通透性(P′)最低, 分别仅为颗粒粒度为100 mm和200 mm颗粒群体的43%和52%, 表明粒度分布不同的絮凝颗粒群体乙醇耐性的差别与细胞膜透性密切相关。     

酿酒酵母乙酸耐性分子机制的功能基因组进展

提高工业酿酒酵母对高浓度代谢产物及原料中的毒性底物等环境胁迫因素的耐受性,对提高工业生产效率具有重要的意义。乙酸是纤维素原料水解产生的主要毒性副产物之一,其对酵母细胞的生长和代谢都具有较强的抑制作用,因此,对酿酒酵母乙酸耐性分子机制的研究可为选育优良菌种提供理论依据。近年来,通过细胞全局基因表达分析和代谢组分析,以及对单基因敲除的所有突变体的表型组研究,对酿酒酵母乙酸耐性的分子机制有了更多新的认识,揭示了很多新的与乙酸毒性适应性反应和乙酸耐性提高相关的基因。综述了近年来酿酒酵母乙酸耐性的基因组规模的研究进展,以及在此基础上构建乙酸耐性提高的工业酵母菌的代谢工程操作。结合本课题组的研究,对金属离子锌在酿酒酵母乙酸耐性中的作用进行了深入分析。未来对酿酒酵母乙酸耐性分子机理的认识及改造将深入到翻译后修饰和合成生物学等新的水平,所获得的认知,将为选育可高效进行纤维素原料生物转化、高效生产生物燃料和生物基化学品的工业酿酒酵母的菌株奠定理论基础。     

酿酒酵母INO80染色质重塑复合物调控基因表达的研究进展

表观遗传调控是真核生物基因表达精细调控的重要组成部分,主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑。其中,染色质重塑因子可影响组蛋白修饰酶和转录因子与特定位点的结合,在基因表达调控中占有重要地位。INO80复合物是进化上保守的染色质重塑复合物,能利用ATP水解获得的能量促进核小体的滑动和驱逐。INO80复合物除了在DNA复制、修复中发挥重要功能外,还通过改变DNA可及性调控酿酒酵母的基因表达。本文综述了染色质重塑复合物的分类及组成,重点介绍了酿酒酵母多亚基复合物INO80在基因表达调控中的重要功能,包括驱逐RNA聚合酶Ⅱ、响应信号转导途径和改变基因表达水平等,并着重总结了其在酿酒酵母环境胁迫响应机理中的研究进展。深入研究INO80染色质重塑复合物的功能,可为理解真核生物精细代谢调控的机制,并进一步开发基于染色质重塑等表观调控水平的微生物代谢工程和合成生物学改造策略,提高菌株的环境胁迫耐受性和发酵性能提供基础。     

利用SPT3的定向进化提高工业酿酒酵母乙醇耐受性

利用对转录因子的定向进化可对多基因控制的性状进行有效的代谢工程改造。本研究对酿酒酵母负责胁迫相关基因转录的SAGA复合体成分SPT3编码基因进行易错PCR随机突变,并研究了SPT3的定向进化对酿酒酵母乙醇耐性的影响。将SPT3的易错PCR产物连接改造的pYES2.0表达载体并转化酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae4126,构建了突变体文库。通过筛选在高浓度乙醇中耐受性提高的突变株,获得了一株在10%(V/V)乙醇中生长较好的突变株M25。该突变株利用125g/L的葡萄糖进行乙醇发酵时,终点乙醇产量比对照菌株提高了11.7%。由此表明,SPT3是对酿酒酵母乙醇耐性进行代谢工程改造的一个重要的转录因子。