Display of cellulases on the cell surface of Saccharomyces cerevisiae for high yield ethanol production from high-solid lignocellulosic biomass
- 作者
- Yuki Matano, 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.2011.12.144
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
工业纤维素乙醇生产需要提高最终乙醇滴度以降低蒸馏能耗，但高固体底物导致混合困难、酶解效率低，且商品纤维素酶成本高。
研究策略
构建在酵母细胞表面展示内切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶和β-葡萄糖苷酶的重组菌株，利用新型鼓式旋转发酵系统改善高固体底物的混合，并结合短时液化处理实现高效乙醇生产。
核心内容
该研究针对高固体木质纤维素乙醇生产中混合困难、酶解效率低及商品酶成本高等问题，构建了在酿酒酵母细胞表面共展示内切葡聚糖酶II、纤维二糖水解酶II和β-葡萄糖苷酶的重组菌株，并通过增加基因拷贝数提升酶活。结合新型鼓式旋转发酵系统改善高固体底物混合，并引入2小时短时液化预处理与同步糖化发酵联用。结果显示，在添加10 FPU/g商品纤维素酶条件下，展示菌株以200 g-DW/L稻草为底物发酵72小时产乙醇38.2 g/L，达理论产率的79%，较野生型提高1.4倍；经液化处理后最大乙醇浓度达43.1 g/L，为理论产率的89%。发酵后残留葡萄糖仅1.6 g/L，远低于野生型的16.0 g/L，说明表面展示酶可水解商品酶无法利用的纤维素。该策略显著提高了高固体底物下的乙醇滴度并减少商品酶用量，为纤维素乙醇整合生物加工提供了有效方案。
创新点
['在酵母细胞表面共展示三种真菌纤维素酶，并通过增加基因拷贝数提高酶活', '开发鼓式旋转发酵系统，利用重力搅拌改善高固体物料的混合效率', '采用短时液化处理（2小时）与同步糖化发酵结合，显著提高乙醇产率并缩短操作时间']
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae NBRC1440/B-EC3 | 纤维素糖化与乙醇发酵 | eg2 | 内切葡聚糖酶II (EG2) | 催化 | 来自Trichoderma reesei，展示于细胞表面 |
| Saccharomyces cerevisiae NBRC1440/B-EC3 | 纤维素糖化与乙醇发酵 | cbh2 | 纤维二糖水解酶II (CBH2) | 催化 | 来自Trichoderma reesei，展示于细胞表面 |
| Saccharomyces cerevisiae NBRC1440/B-EC3 | 纤维素糖化与乙醇发酵 | bgl1 | β-葡萄糖苷酶 (BGL1) | 催化 | 来自Aspergillus aculeatus，展示于细胞表面 |
| Saccharomyces cerevisiae NBRC1440/B-EC3 | 细胞表面展示 | — | α-凝集素 (α-agglutinin) | 区室化 | 作为锚定蛋白将纤维素酶固定于酵母细胞表面，使用其C端320个氨基酸区域 |
关键发现
- 在以10 FPU/g-biomass商品纤维素酶存在下，展示菌株NBRC1440/B-EC3从200 g-DW/L稻草中经72h发酵产生38.2±0.5 g/L乙醇（理论产率的79%），比野生型高1.4倍
- 经2h液化后最大乙醇浓度达43.1 g/L（理论产率的89%），比野生型高12%。PASC水解活性显示，增加CBH2和EG2拷贝数后，B-EC-C2活性是B-EC的1.7倍，B-EC3是B-EC-C2的2.5倍。发酵后残留葡萄糖浓度：野生型为16.0 g/L，而展示菌株仅1.6 g/L，表明表面展示的纤维素酶可水解商品酶未能水解的纤维素。
研究结论
细胞表面展示纤维素酶的酵母菌株结合新型旋转发酵系统，能够从高固体木质纤维素（200 g-DW/L）高效生产高滴度乙醇（43.1 g/L，89%理论产率），同时显著减少商品纤维素酶用量，为纤维素乙醇的整合生物加工提供了有效策略。