Deletion of the PHO13 gene in Saccharomyces cerevisiae improves ethanol production from lignocellulosic hydrolysate in the presence of acetic and formic acids, and furfural
- 作者
- Keisuke Fujitomi, Tomoya Sanda, Tomohisa Hasunuma, 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
- Bioresource Technology（2012）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2012.01.161
- 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
提高重组酿酒酵母在木质纤维素水解液中的乙醇生产效率，特别是当水解液含有乙酸、甲酸和糠醛等发酵抑制物时，木糖发酵效率严重下降的问题。
研究策略
敲除酿酒酵母中的PHO13基因（编码对硝基苯磷酸酶），构建重组木糖发酵菌株，评估其在单一及多种抑制物存在下的木糖发酵性能和乙醇产量。
研究路线图
核心内容
该研究通过在重组木糖发酵酿酒酵母BY4741中敲除PHO13基因（编码对硝基苯磷酸酶），系统评估了该基因缺失对菌株在乙酸、甲酸和糠醛等木质纤维素水解液常见抑制物存在下木糖发酵性能的影响。结果显示，PHO13缺失显著增强了菌株对多种抑制物的耐受性：在30 mM乙酸条件下，敲除菌株木糖消耗速率为0.25 g-木糖/g-细胞/h，对照仅为0.10，乙醇产量达到0.45 g-乙醇/g-木糖；在30 mM甲酸下，敲除菌株产乙醇10.8 g/L，而对照仅2.0 g/L；在90 mM糠醛存在下，敲除菌株比乙醇生产力较对照提高4倍。在无抑制物条件下，ΔPHO13菌株72 h产乙醇33.9 g/L，对照为25.4 g/L，木糖消耗速率提高2倍，乙醇体积生产力提高2.6倍。在液体热水预处理的水稻秸秆水解液中，敲除菌株木糖消耗速率比对照高4倍以上。这些结果表明，PHO13基因缺失是一种简单有效的策略，可显著提高重组酿酒酵母在抑制物存在下的木糖发酵能力和乙醇产量，对提升木质纤维素乙醇生产效率具有重要应用价值。
创新点
首次报道PHO13基因敲除对酿酒酵母在发酵抑制物存在下木糖发酵的影响；发现PHO13缺失是一种简单有效的提高木质纤维素乙醇生产耐受性的策略。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae BY4741 | 木糖代谢 | PHO13 | 对硝基苯磷酸酶 | 催化 | 编码p-硝基苯磷酸酶，敲除该基因可提高菌株对乙酸、甲酸和糠醛的耐受性，促进木糖发酵 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4741 | 木糖代谢 | XYL1 | 木糖还原酶 (XR) | 催化 | 来源于Scheffersomyces stipitis，将木糖还原为木糖醇 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4741 | 木糖代谢 | XYL2 | 木糖醇脱氢酶 (XDH) | 催化 | 来源于Scheffersomyces stipitis，将木糖醇氧化为木酮糖 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4741 | 木糖代谢 | XKS1 | 木酮糖激酶 (XK) | 催化 | 内源基因，将木酮糖磷酸化为5-磷酸木酮糖 |
关键发现
- 在30 mM乙酸条件下，PHO13敲除菌株的乙醇产量达到0.45 g-乙醇/g-木糖
- 在90 mM糠醛存在下，其比乙醇生产力比对照菌株高4倍
- 在液体热水预处理的水稻秸秆水解液中，PHO13敲除菌株的木糖消耗速率比对照高4倍以上。无抑制物时，ΔPHO13菌株72 h产乙醇33.9 g/L，对照为25.4 g/L
- 木糖消耗速率增加2倍，乙醇体积生产力提高2.6倍。在30 mM乙酸下，ΔPHO13木糖消耗速率为0.25 g-木糖/g-细胞/h，对照为0.10
- 在60 mM乙酸下分别为0.09和0.05。在30 mM甲酸下，ΔPHO13产乙醇10.8 g/L，对照仅2.0 g/L
- 15 mM甲酸下，ΔPHO13完全消耗木糖并产乙醇26.5 g/L，对照残留20 g/L以上木糖。在60和90 mM糠醛下，ΔPHO13的比木糖消耗速率分别为0.20和0.17 g-木糖/g-细胞/h，对照仅为0.03和0.02
- 比乙醇生产力分别为0.08和0.07 g-乙醇/g-细胞/h，对照为0.02和0.01。在水稻秸秆水解液中，ΔPHO13和对照的木糖消耗速率分别为0.50和0.11 g-木糖/L/h。
研究结论
PHO13基因缺失能显著提高重组酿酒酵母在发酵抑制物存在下的木糖发酵能力和乙醇产量，并增强其在真实木质纤维素水解液中的发酵性能。该基因敲除是一种简单而有效的提高纤维素乙醇生产策略。