Repeated-batch fermentations of xylose and glucose-xylose mixtures using a respiration-deficient Saccharomyces cerevisiae engineered for xylose metabolism
- 作者
- Soo Rin Kim, Ki-Sung Lee, Jin-Ho Choi, Suk-Jin Ha, Dae-Hyuk Kweon, Jin-Ho Seo, Yong-Su Jin
- 单位
- Department of Food Science and Human Nutrition, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL 61801, United States; Institute for Genomic Biology, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL 61821, United States; School of Biotechnology and Bioengineering, Sungkyunkwan University, Suwon 440-746, Republic of Korea; Department of Agricultural Biotechnology, Seoul National University, Seoul 151-742, Republic of Korea
- 杂志
- Journal of Biotechnology（2010）
- DOI
- 10.1016/j.jbiotec.2010.09.962
- 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
呼吸缺陷型工程酿酒酵母在单独以木糖为碳源时无法维持发酵活性，但在葡萄糖与木糖混合底物下能否保持高效乙醇生产？
研究策略
构建呼吸缺陷型突变体，通过细胞回收的重复批次发酵，比较葡萄糖、木糖及葡萄糖-木糖混合底物下的发酵性能，评估呼吸缺陷策略用于木质纤维素水解液发酵的可行性。
研究路线图
核心内容
本研究构建了一株表达木糖还原酶、木糖醇脱氢酶和木酮糖激酶的呼吸缺陷型酿酒酵母YSX3，通过细胞回收的重复批次发酵系统评估其在葡萄糖、木糖及葡萄糖-木糖混合底物下的发酵性能。结果显示，以葡萄糖为底物时乙醇产率接近理论值0.46 g/g，体积生产率从7.5 g/L/h提升至8.3 g/L/h；而以木糖为唯一碳源时细胞无法生长，乙醇产率仅0.21 g/g，并伴随约20 g/L木糖醇的积累，体积生产率从0.4 g/L/h下降至0.3 g/L/h。相比之下，在葡萄糖-木糖混合底物发酵中，乙醇产率稳定维持于0.35 g/g，体积生产率为0.52 g/L/h，其中木糖转化为乙醇的产率达到0.30 g/g，显著高于单独木糖发酵的0.21 g/g。这一结果说明，尽管呼吸缺陷型菌株无法单独利用木糖，但在混合糖条件下能够保持稳定的发酵活性和较高的乙醇转化效率，表明该策略适用于含葡萄糖与木糖的木质纤维素水解液，为实际生物乙醇生产提供了一种可行方案。
创新点
首次系统评估呼吸缺陷型工程酿酒酵母在重复批次发酵中对木糖及葡萄糖-木糖混合底物的发酵特性，证明混合糖发酵可维持稳定产率并提高木糖的乙醇转化效率。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae YSX3（呼吸缺陷型突变体） | 木糖代谢 | XYL1 | 木糖还原酶 (XR) | 催化 | 来自Pichia stipitis，催化木糖还原为木糖醇 |
| Saccharomyces cerevisiae YSX3（呼吸缺陷型突变体） | 木糖代谢 | XYL2 | 木糖醇脱氢酶 (XDH) | 催化 | 来自Pichia stipitis，催化木糖醇氧化为木酮糖 |
| Saccharomyces cerevisiae YSX3（呼吸缺陷型突变体） | 木糖代谢 | XYL3 | 木酮糖激酶 (XK) | 催化 | 来自Pichia stipitis，催化木酮糖磷酸化 |
| Saccharomyces cerevisiae YSX3（呼吸缺陷型突变体） | 磷酸戊糖途径 (PPP) | — | — | 区室化 | 木糖代谢通过内源磷酸戊糖途径进入中心碳代谢 |
关键发现
- 葡萄糖重复批次发酵中，乙醇产率接近理论值0.46 g/g，体积乙醇生产率从7.5 g/L/h提升至8.3 g/L/h
- 木糖单独发酵时细胞不生长，乙醇产率仅0.21 g/g，体积生产率从0.4 g/L/h降至0.3 g/L/h，并积累约20 g/L木糖醇（第一次发酵产生12 g/L乙醇和8 g/L木糖醇）
- 葡萄糖-木糖混合发酵时，乙醇产率稳定在0.35 g/g，体积生产率0.52 g/L/h，其中木糖的乙醇产率（0.30 g/g）显著高于单独木糖发酵（0.21 g/g）。
研究结论
呼吸缺陷型酿酒酵母在葡萄糖-木糖混合底物下能够维持稳定的发酵能力和较高的乙醇产率，可应用于含葡萄糖和木糖的木质纤维素水解液乙醇生产。