Direct ethanol production from hemicellulosic materials of rice straw by use of an engineered yeast strain codisplaying three types of hemicellulolytic enzymes on the surface of xylose-utilizing Saccharomyces cerevisiae cells
- 作者
- Takatoshi Sakamoto, Tomohisa Hasunuma, Yoshimi Hori, Ryosuke Yamada, Akihiko Kondo
- 单位
- Department of Chemical Science and Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University; Organization of Advanced Science and Technology, Kobe University
- 杂志
- Journal of Biotechnology（2011）
- DOI
- 10.1016/j.jbiotec.2011.06.025
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
木质纤维素水解酶成本高，且酿酒酵母不能利用木糖，导致半纤维素原料直接发酵产乙醇效率低。
研究策略
通过细胞表面展示技术在木糖利用型酿酒酵母表面共展示内切木聚糖酶、β-木糖苷酶和β-葡萄糖苷酶，同时引入木糖还原酶、木糖醇脱氢酶和木酮糖激酶，实现半纤维素水解与乙醇发酵的一体化整合。
核心内容
针对木质纤维素水解酶成本高及酿酒酵母无法利用木糖的问题，本研究构建了一株表面共展示三种半纤维素酶的木糖利用型重组酿酒酵母。通过在二倍体菌株表面展示内切木聚糖酶、β-木糖苷酶和β-葡萄糖苷酶，同时引入木糖还原酶、木糖醇脱氢酶和木酮糖激酶，实现了半纤维素水解与乙醇发酵的同步整合。重组菌株MN8140/XBXX在72小时发酵后乙醇产量达8.2 g/L，为对照菌株的约2.5倍，乙醇得率0.41 g/g消耗总糖，相当于理论得率的82%。三种表面酶活性分别为内切木聚糖酶41.2 U/g、β-木糖苷酶16.8 U/g和β-葡萄糖苷酶48.1 U/g。添加商品半纤维素酶后乙醇产量进一步提高至10.3 g/L。该菌株无需外加糖水解酶和脱毒处理即可直接将稻草半纤维素水解液转化为乙醇，显著降低了生产成本，在半纤维素整合生物加工中展示了重要应用潜力。
创新点
['首次实现无需外加糖水解酶和脱毒处理，直接发酵含木聚糖、低聚木糖和纤维低聚糖的半纤维素水解液生产乙醇。', '利用二倍体菌株和δ整合增强木聚糖酶表达，提高了发酵抑制物耐受性。', '细胞表面共展示三种半纤维素酶与木糖代谢途径结合，实现糖化与发酵同步进行。']
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae MN8140/XBXX（二倍体重组菌） | 木糖代谢 | XYL1 | 木糖还原酶 | 催化 | 来自Pichia stipitis，催化木糖还原为木糖醇 |
| Saccharomyces cerevisiae MN8140/XBXX（二倍体重组菌） | 木糖代谢 | XYL2 | 木糖醇脱氢酶 | 催化 | 来自Pichia stipitis，催化木糖醇氧化为木酮糖 |
| Saccharomyces cerevisiae MN8140/XBXX（二倍体重组菌） | 木糖代谢 | XKS1 | 木酮糖激酶 | 催化 | 来自酿酒酵母内源基因，将木酮糖磷酸化为5-磷酸木酮糖 |
| Saccharomyces cerevisiae MN8140/XBXX（二倍体重组菌） | 半纤维素降解 | XYNII | 内切木聚糖酶 | 催化 | 来自Trichoderma reesei，通过δ整合在细胞表面展示，水解木聚糖为低聚木糖 |
| Saccharomyces cerevisiae MN8140/XBXX（二倍体重组菌） | 半纤维素降解 | XylA | β-木糖苷酶 | 催化 | 来自Aspergillus oryzae，在细胞表面展示，水解低聚木糖为木糖 |
| Saccharomyces cerevisiae MN8140/XBXX（二倍体重组菌） | 纤维低聚糖降解 | BGL1 | β-葡萄糖苷酶 | 催化 | 来自Aspergillus aculeatus，在细胞表面展示，水解纤维低聚糖为葡萄糖 |
关键发现
- 重组菌株MN8140/XBXX在72h发酵后乙醇产量为8.2 g/L，是对照菌株MN8140/X（3.0 g/L）的约2.5倍
- 乙醇得率为0.41 g/g消耗总糖，相当于理论得率的82%
- 糖消耗量19.7 g/L（对照8.2 g/L）。三种细胞表面酶的活性分别为内切木聚糖酶41.2 U/g干重、β-木糖苷酶16.8 U/g干重、β-葡萄糖苷酶48.1 U/g干重。添加商品半纤维素酶后乙醇产量进一步提高至10.3 g/L，糖消耗24.4 g/L，乙醇得率0.40 g/g，产率0.56 g/L/h。
研究结论
构建的细胞表面工程酿酒酵母菌株能够高效地将稻草秸秆半纤维素水解液直接转化为乙醇，无需外加酶和脱毒处理，显著降低乙醇生产成本，在半纤维素整合生物加工中具有重要应用潜力。