A UV-induced mutant of Pichia stipitis with increased ethanol production from xylose and selection of a spontaneous mutant with increased ethanol tolerance
- 作者
- Takashi Watanabe, Itsuki Watanabe, Mami Yamamoto, Akira Ando, Toshihide Nakamura
- 单位
- National Food Research Institute, National Agriculture and Food Research Organization (NARO), 2-1-12 Kannondai, Tsukuba, Ibaraki 305-8642, Japan
- 杂志
- Bioresource Technology（2010）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2010.09.087
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
木质纤维素生物质中的戊糖（主要是木糖）转化为乙醇的效率低，且木糖发酵酵母（如Pichia stipitis）乙醇耐受性差，限制了其工业应用。
研究策略
通过紫外线（UV）诱变筛选高效木糖发酵突变株，再通过逐步提高乙醇浓度的适应性培养获得乙醇耐受突变株，并评估其在两相发酵（TPSSF）中的表现。
核心内容
该研究以木糖发酵酵母Pichia stipitis NBRC1687为出发菌株，针对木质纤维素生物转化中戊糖利用效率低和乙醇耐受性差两大瓶颈，采用紫外线诱变结合适应性进化策略，不经基因工程改造即获得性能提升的突变株。筛选出的突变株PXF58在木糖、葡萄糖和果糖发酵中乙醇产量均显著优于亲本，例如从11.4%木糖产4.3%乙醇（亲本仅3.1%），葡萄糖和果糖的产乙醇能力约为亲本的1.4倍。在15%木糖条件下，PXF58在72小时产5.4%乙醇，而文献报道的野生型需150小时才能产5.2%。进一步通过逐步提高乙醇浓度的适应性培养，获得乙醇耐受突变株PET41，其可在含10%乙醇的培养基中好氧生长。在两相同时糖化发酵（TPSSF）中，PET41最终产乙醇4.4%，高于野生型（3.8%）和PXF58（4.0%）。结果表明，非重组诱变与适应性筛选可有效协同提升木糖发酵效率与乙醇耐受性，PET41尤其适用于木质纤维素的两相发酵工艺，为非转基因菌株在生物乙醇工业中的应用提供了可行路径。
创新点
采用非重组的诱变和适应性进化策略，避免了基因工程菌的环境释放问题；获得的突变株PXF58和PET41在木糖发酵和乙醇耐受性方面显著优于野生型，适用于两相发酵工艺。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Pichia stipitis NBRC1687 | 木糖乙醇发酵途径 | — | — | 催化 | 野生型菌株，用于UV诱变和对照 |
| Pichia stipitis PXF58 | 木糖乙醇发酵途径 | — | — | 催化 | UV突变株，产乙醇能力显著提高，可能涉及糖代谢一般途径的基因突变 |
| Pichia stipitis PET41 | 木糖乙醇发酵途径 | — | — | 调控 | 适应性进化获得的乙醇耐受突变株，可在含10%乙醇培养基中生长 |
关键发现
- 突变株PXF58从11.4%木糖产生4.3%乙醇，而亲本NBRC1687仅产生3.1%
- 从12.3%葡萄糖产4.7%乙醇（亲本3.4%），从11.7%果糖产3.7%乙醇（亲本2.6%），葡萄糖和果糖产乙醇能力约为亲本的1.4倍。在5%木糖发酵中，PXF58残留木糖0.17%、产乙醇1.94%，亲本残留0.77%、产乙醇1.64%。PXF58在15%木糖的YX培养基中72小时产5.4%乙醇，而文献报道野生型150小时产5.2%。两相发酵中，乙醇耐受突变株PET41最终产乙醇4.4%，而NBRC1687和PXF58分别为3.8%和4.0%。PET41可在含10%乙醇的YNBX培养基中好氧生长。
研究结论
通过UV诱变和适应性筛选，成功获得了木糖发酵能力和乙醇耐受性显著提高的Pichia stipitis突变株PXF58和PET41，其中PET41适用于木质纤维素的两相同时糖化和发酵，有望推动非重组菌株在生物乙醇工业中的应用。