“超级酿酒酵母”通吃糖类高效转化生物燃料

近日，威斯康星大学与五大湖生物能研究中心的研究人员合作，同样采用直接进化的手段筛选到可以双倍增加酵母转换糖为生物燃料效率的突变菌，这种“超级酵母”可以提高乙醇生产的经济效益，特别是生物燃料和生物制品。

近期，本公众号报道了将植物光合作用的Calvin循环引入异养体大肠杆菌中后，利用直接进化的方法筛选出以丙酮酸为中间媒介，仅用二氧化碳作为碳源合成糖类和其他生物质的突变菌株。近日，威斯康星大学与五大湖生物能研究中心的研究人员合作，同样采用直接进化的手段筛选到可以双倍增加酵母转换糖为生物燃料效率的突变菌，这种“超级酵母”可以提高乙醇生产的经济效益，特别是生物燃料和生物制品。
长期以来，酿酒酵母一直是面包和啤酒制造的首选酵母菌种，但是利用酿酒酵母由纤维素生物基质生产生物燃料还未可实现。10月14日在PLOS Genetics发表的文章Directed Evolution Reveals Unexpected Epistatic Interactions That Alter Metabolic Regulation and Enable Anaerobic Xylose Use by Saccharomyces cerevisiae1，来自威斯康星大学与五大湖生物能研究中心的研究人员结合基因组测序、蛋白质组学、代谢组学分析，确定在需氧或厌氧条件下进化的一系列突变菌中木糖代谢的关键突变位点。
首先，在酿酒酵母中与木糖代谢转运相关的基因有：木糖还原酶（GRE3）、促分裂素原活化蛋白激酶(MAPK)的信号因子HOG1、蛋白激酶A(PKA)的信号因子IRA2、线粒体铁硫簇合成的支架蛋白（ISU1）。研究的出发菌株为NRRL YB 210酿酒酵母，在不同的木糖条件直接进化，获得最终的突变菌GLBRCY128，其突变位点如图1所示。为了验证确实是这些突变发挥了作用，研究人员将突变点所在的基因敲除，其木糖转运效率确有显著提升。

图1 GLBRCY128菌株进化流程

图2 不同突变菌木糖转运速率

图3 YPX培养基条件下，生物素A和DMSO对突变菌影响

由此获得的超级酿酒酵母菌株GLBRCY128意义重大，其一可实现将植物中的木糖高效转化为生物燃料；其二具有转化糖类为异丁醇、脂类或柴油燃料的生物潜力；其三这种直接进化的手段同样可以应用于其他菌株。最后，未来的研究方向可以在纤维素抑制因子的基因和代谢途径上，提高木糖的转运速率。

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