Development of an industrial ethanol-producing yeast strain for efficient utilization of cellobiose
- 作者
- Zhong-peng Guo, Liang Zhang, Zhong-yang Ding, Zheng-hua Gu, Gui-yang Shi
- 单位
- The Key Laboratory of Industrial Biotechnology, Ministry of Education and Center for Bioresources & Bioenergy, School of Biotechnology, Jiangnan University, Wuxi 214122, PR China
- 杂志
- Enzyme and Microbial Technology（2011）
- DOI
- 10.1016/j.enzmictec.2011.02.008
- 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
工业酒精生产菌株酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）不能利用纤维二糖，缺乏纤维二糖转运系统，导致纤维素水解产生的纤维二糖积累，限制乙醇生产。
研究策略
在工业酿酒酵母中分别实现β-葡萄糖苷酶的胞内、分泌和细胞壁展示表达，并与来源于枯草芽孢杆菌的β-葡萄糖苷透性酶共表达，构建能直接利用纤维二糖的工业菌株。
核心内容
针对工业酿酒酵母无法利用纤维二糖、导致纤维素乙醇生产受限的问题，该研究在菌株CICIMY0086中系统比较了β-葡萄糖苷酶（BGL1）的胞内、分泌和细胞壁展示三种表达策略，并与来自枯草芽孢杆菌的β-葡萄糖苷透性酶（bglP）进行共表达。结果显示，仅胞内表达BGL1的菌株完全不能利用纤维二糖；分泌型和展示型菌株在厌氧条件下最大比生长速率分别为0.03和0.05 h⁻¹，其中展示型菌株48小时消耗5.2 g/L纤维二糖并产生2.3 g/L乙醇，乙醇产率达理论值的81.7%。共表达透性酶和BGL1的菌株IBP1在好氧条件下生长速率提升至0.11 h⁻¹，厌氧发酵96小时完全消耗10.0 g/L纤维二糖，产生4.4 g/L乙醇，得率达理论值的94.0%。胞内纤维二糖积累实验证实野生型缺乏转运蛋白，而表达透性酶的菌株在4小时可积累67.3 mg/g干重纤维二糖。该工作首次证实了工业菌株CICIMY0086缺乏纤维二糖转运系统，证明了透性酶与糖苷酶共表达是高效利用纤维二糖的关键策略，为木质纤维素乙醇生产提供了有前景的工业菌株。
创新点
系统比较了β-葡萄糖苷酶不同定位表达对纤维二糖利用的影响，首次证实工业酿酒酵母CICIMY0086缺乏纤维二糖转运蛋白，并证明共表达β-葡萄糖苷透性酶和β-葡萄糖苷酶是实现纤维二糖高效利用的有效策略。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae CICIMY0086 | 纤维二糖利用与乙醇发酵 | BGL1 | β-葡萄糖苷酶 | 催化 | 来自Saccharomycopsis fibuligera，在工业酿酒酵母中实现胞内、分泌及细胞壁展示表达 |
| Saccharomyces cerevisiae CICIMY0086 | 纤维二糖转运 | bglP | β-葡萄糖苷透性酶 | 转运 | 来自Bacillus subtilis，共表达时赋予菌株纤维二糖摄取能力 |
| Saccharomyces cerevisiae CICIMY0086 | 细胞壁锚定 | AGα1 (AG1) | α-凝集素 | 区室化 | 编码α-凝集素C端锚定序列，用于将β-葡萄糖苷酶展示在细胞表面 |
关键发现
- 胞内表达β-葡萄糖苷酶的菌株IB1不能利用纤维二糖
- 分泌型EB1和细胞壁展示型WB1在厌氧条件下最大比生长速率分别为0.03和0.05 h^-1，WB1在48 h内消耗5.2 g/L纤维二糖并产生2.3 g/L乙醇，EB1消耗3.6 g/L并产生1.5 g/L乙醇，分别达到理论乙醇产率的81.7%和86.7%。共表达β-葡萄糖苷透性酶和β-葡萄糖苷酶的菌株IBP1在好氧条件下生长速率为0.11 h^-1，在厌氧发酵中完全消耗10.0 g/L纤维二糖，96 h产生4.4 g/L乙醇，乙醇得率为0.488 g/g纤维二糖（理论值的94.0%）。胞内纤维二糖积累实验显示，表达透性酶的SP1菌株在4 h时胞内积累67.3 ± 0.35 mg/g干重纤维二糖，野生型无积累。分泌型β-葡萄糖苷酶最适pH为5.0，展示型为4.5
- 两者最适温度均为50°C，展示型酶在30-50°C范围内更稳定。
研究结论
工业酿酒酵母CICIMY0086缺乏纤维二糖转运蛋白，仅表达β-葡萄糖苷酶不足以高效利用纤维二糖。通过共表达β-葡萄糖苷透性酶（来自枯草芽孢杆菌的bglP）和β-葡萄糖苷酶（来自Saccharomycopsis fibuligera的BGL1），可显著提高菌株对纤维二糖的利用能力和乙醇产量，为利用木质纤维素生产乙醇提供有前景的工业菌株。