Expression of bacterial levanase in yeast enables simultaneous saccharification and fermentation of grass juice to bioethanol
- 作者
- C.M. Martel, J.E. Parker, C.J. Jackson, A.G.S. Warrilow, N. Rolley, C. Greig, S.M. Morris, I.S. Donnison, D.E. Kelly, S.L. Kelly
- 单位
- Institute of Life Science and School of Medicine, Swansea University, Swansea SA2 8PP, Wales, UK; Institute of Biological, Environmental and Rural Sciences, Aberystwyth University, Aberystwyth SY23 3EB, Wales, UK
- 杂志
- Bioresource Technology（2010）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2010.07.099
- 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
避免昂贵的酶预处理步骤，实现草汁中果聚糖的直接糖化和发酵生产生物乙醇。
研究策略
将枯草芽孢杆菌的levanase基因(sacC)进行酵母密码子优化，并用酿酒酵母α-因子分泌信号替换其天然信号肽，构建重组酿酒酵母AH22:psacC，使其分泌活性levanase，从而同时糖化和发酵草汁中的果聚糖。
核心内容
该研究通过代谢工程手段，在酿酒酵母AH22中异源表达枯草芽孢杆菌的levanase基因sacC，旨在避免昂贵酶预处理，实现草汁中果聚糖的直接糖化与发酵产乙醇。研究人员对sacC进行酵母密码子优化，并以其α-因子分泌信号替换天然信号肽，构建重组菌株AH22:psacC，使活性levanase得以分泌，从而同时完成糖化和发酵。结果显示，AH22:psacC在未处理草汁中乙醇产量达32.7 mg mL⁻¹，与酶预处理组的36.8 mg mL⁻¹接近；该菌株能利用inulin和levan，倍增时间分别为11.7小时和7.4小时，而对照菌株无法利用这些底物。分泌的sacCp呈高糖基化状态（>180 kDa），去糖基化后为75 kDa，蛋白鉴定覆盖率达45%。在多种草汁培养基中，乙醇产量稳定在32.1–33.3 mg mL⁻¹，均高于对照在未处理草汁中的26.6 mg mL⁻¹。这表明重组酵母可省去外源酶步骤，以接近预处理的效率将草类生物质转化为乙醇，为草基生物燃料生产提供了更经济的路径。
创新点
1. 在酿酒酵母中实现了细菌levanase的异源分泌表达；2. 通过密码子优化和信号肽替换提高了表达与分泌效率；3. 无需外源酶预处理即可从草汁获得与酶预处理相当的乙醇产量。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae (strain AH22) | 果聚糖降解（inulin和levan水解为果糖） | sacC | sacCp (levanase) | 催化 | 异源表达，分泌型，可水解β-2,1和β-2,6果聚糖 |
| Saccharomyces cerevisiae (strain AH22) | 蛋白分泌通路 | 酿酒酵母α-因子信号序列 | α-因子分泌信号肽 | 转运 | 替换sacC天然信号肽，引导蛋白分泌至胞外 |
关键发现
- AH22:psacC在未处理草汁中乙醇产量为32.7[±4] mg mL^-1，与酶预处理草汁的36.8[±4] mg mL^-1接近
- 对照菌株AH22:pMA91不能利用inulin或levan，而AH22:psacC可分别达到ΔOD 0.97和1.06，倍增时间11.7h和7.4h
- sacCp以高糖基化(>180 kDa)活性蛋白分泌，去糖基化后为75 kDa，Mascot score为1430，覆盖45%蛋白序列
- 在多种草汁培养基中AH22:psacC乙醇产量稳定在32.1–33.3 mg mL^-1，显著高于对照在未处理草汁中的26.6 mg mL^-1。
研究结论
重组酵母AH22:psacC能同时糖化和发酵草汁中的果聚糖生产生物乙醇，产量与酶预处理相当，为草类生物质转化为生物燃料提供了经济可行的途径。