Efficient Production of L-Lactic Acid from Xylose by Pichia stipitis
- 作者
- Marja Ilmen, Kari Koivuranta, Laura Ruohonen, Pirkko Suominen, Merja Penttilä
- 单位
- VTT Technical Research Centre of Finland; NatureWorks LLC
- 杂志
- Applied and Environmental Microbiology（2007）
- DOI
- 10.1128/AEM.01311-06
- 所属领域
- 代谢工程/发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用能天然发酵木糖的酵母Pichia stipitis实现从木糖及木质纤维素混合糖高效生产L-乳酸，以降低乳酸生产成本并充分利用可再生原料中的五碳糖。
研究策略
在P. stipitis中整合表达来自Lactobacillus helveticus的L-乳酸脱氢酶基因（ldhL），由P. stipitis自身的ADH1启动子驱动，将糖酵解产生的丙酮酸转化为L-乳酸，与内源乙醇途径竞争碳流；同时利用CaCO3缓冲维持pH，提高乳酸产量。
核心内容
本研究在可天然发酵木糖的酵母Pichia stipitis中整合表达了来源于Lactobacillus helveticus的L-乳酸脱氢酶基因（ldhL），由ADH1启动子驱动，使糖酵解产生的丙酮酸直接转化为L-乳酸，并利用CaCO3缓冲维持发酵pH。结果显示，在101 g/L木糖条件下，重组菌株产乳酸58 g/L，得率达0.58 g/g；而在94 g/L葡萄糖条件下仅产41 g/L，得率0.44 g/g，表明木糖上的产酸性能优于葡萄糖。在47 g/L葡萄糖与50 g/L木糖的混合糖发酵中，两种糖可被同时利用，产生58 g/L乳酸，得率0.60–0.62 g/g。木糖培养中乙醇产量仅为野生型的15%–30%，副产物木糖醇不超过1.3 g/L，丙酮酸不超过0.3 g/L，未检出乙酸和甘油。这是首次报道酵母从木糖高效生产乳酸，证明LDH可有效竞争丙酮酸碳流，为利用木质纤维素可再生原料的酵母基乳酸发酵工艺提供了可行方案与性能基准。
创新点
首次证明酵母可从木糖高效生产L-乳酸；木糖上的乳酸产量和得率高于葡萄糖；木糖与葡萄糖可同时被利用并主要转化为乳酸；LDH与乙醇途径有效竞争丙酮酸。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Pichia stipitis CBS6054 / FPL UC7 (ura3) | 木糖代谢/糖酵解 | ldhL | L-乳酸脱氢酶 (LDH) | 催化 | 来自Lactobacillus helveticus，将丙酮酸转化为L-乳酸 |
| Pichia stipitis | 调控元件 | ADH1启动子 | — | 调控 | P. stipitis自身的乙醇脱氢酶基因启动子，驱动ldhL表达 |
| — | 调控元件 | CYC1终止子 | — | 调控 | 来自Saccharomyces cerevisiae，用于转录终止 |
| Pichia stipitis | 嘧啶生物合成 | URA3 | 乳清苷酸脱羧酶 | 催化 | 作为转化筛选标记 |
| Pichia stipitis | 乙醇发酵 | PDC、ADH | 丙酮酸脱羧酶、乙醇脱氢酶 | 催化 | 内源乙醇途径，与LDH竞争丙酮酸 |
| Pichia stipitis | 木糖代谢 | XYL1、XYL2 | 木糖还原酶、木糖醇脱氢酶 | 催化 | 内源木糖氧化还原途径，将木糖转化为木酮糖 |
关键发现
- 在含101 g/L木糖的CaCO3缓冲YNB培养基中，P. stipitis ldhL菌株产生58 g/L乳酸，得率0.58 g/g
- 在含94 g/L葡萄糖时产生41 g/L乳酸，得率0.44 g/g
- 在51 g/L木糖中产生31 g/L乳酸，得率0.60 g/g
- 在54 g/L葡萄糖中产生18 g/L乳酸，得率0.33 g/g
- 在混合糖（47 g/L葡萄糖+50 g/L木糖）中产生58 g/L乳酸，得率0.60-0.62 g/g。木糖培养中乙醇产量降至野生型的15%-30%，葡萄糖培养中降至70%-80%。非缓冲条件下木糖和葡萄糖分别产生15 g/L和8 g/L乳酸。副产物少，木糖醇≤1.3 g/L，丙酮酸≤0.3 g/L，未检测到乙酸和甘油。
研究结论
代谢工程改造的P. stipitis菌株能够高效地将木糖和葡萄糖转化为L-乳酸，且木糖上的发酵性能优于葡萄糖，混合糖时可同时消耗两种糖。这是首次报道酵母从木糖生产乳酸，为利用木质纤维素原料的酵母基乳酸生物工艺提供了可行方案和基准。