Adaptive Evolution of Saccharomyces cerevisiae in a Continuous and Closed Circulating Fermentation (CCCF) System Coupled with PDMS Membrane Pervaporation
- 作者
- Chun-yan Chen, Xiao-yu Tang, Ze-yi Xiao, Yi-hui Zhou, Yue Jiang, Sheng-wei Fu
- 杂志
- Applied Biochemistry and Biotechnology（2013）
- DOI
- 10.1007/s12010-013-0142-1
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
在连续闭路循环发酵（CCCF）与PDMS膜渗透汽化耦合系统中，长期发酵导致乙醇抑制和代谢副产物积累，使发酵环境逐渐恶化，需要获得能适应这种恶劣环境的优良酿酒酵母菌株。
研究策略
采用三轮‘发酵-筛选-转接’的适应性进化策略，每轮在CCCF系统中进行500小时长期培养，以逐渐恶化的发酵液作为选择压力，通过自然选择筛选出适应性能提升的突变株。
核心内容
该研究构建了连续闭路循环发酵与PDMS膜渗透汽化耦合系统，通过三轮各500小时的长期适应性进化，使酿酒酵母在逐渐恶化的发酵环境中自然筛选获得性能提升的突变株。研究以累积的代谢副产物和残留底物作为选择压力，并在膜分离缓解乙醇抑制的同时保留不可渗透代谢物，形成独特筛选条件。经三轮共1500小时进化后获得600代后代菌株S33，其乙醇产量和比乙醇生产率较亲本ADY分别提高34.5%和34.7%。第三轮菌株在RM培养基中的平均比葡萄糖利用率达0.97 h⁻¹，高于前两轮NM培养的0.70和0.63 h⁻¹，但平均乙醇产量降至0.34 g/g，低于前两轮的0.44和0.42 g/g；其比乙醇生产率则提升至0.33 h⁻¹。结果表明，该耦合系统是一种无需基因改造即可有效优化酵母菌株的适应性进化方法，且可能推广至其他产乙醇微生物。
创新点
首次将连续闭路循环发酵与PDMS膜渗透汽化耦合系统用于适应性进化菌株筛选；利用膜分离缓解乙醇抑制并积累不可渗透代谢物，形成独特的选择压力；无需基因改造即获得性能显著提升的600代后代菌株。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae (酿酒酵母) | 乙醇发酵途径 | — | — | 催化 | 原始菌株为安琪酵母公司的耐热酒精活性干酵母（ADY），经三轮CCCF适应性进化获得600代后代S33。 |
| Saccharomyces cerevisiae (酿酒酵母) | 葡萄糖利用与乙醇生产代谢 | — | — | 调控 | 适应性进化改变了菌株的代谢调控网络，使其在残液培养基和长期CCCF中具有更高的比乙醇生产率和比葡萄糖利用率。 |
关键发现
- 经三轮共1500小时CCCF适应性进化，获得600代后代S33
- 在残液培养基摇瓶培养中，S33的乙醇产量和比乙醇生产率较亲本ADY分别提高34.5%和34.7%
- 第三轮样品株在RM培养基中的平均比葡萄糖利用率（0.97 h⁻¹）高于前两轮NM培养（0.70和0.63 h⁻¹），但平均乙醇产量（0.34 g/g）低于前两轮（0.44和0.42 g/g）
- 第三轮平均比乙醇生产率（0.33 h⁻¹）高于前两轮（0.31和0.26 h⁻¹）
- 第三轮终发酵液中乙醇含量1.03%（w/w）、甘油5.7%（w/w）
- 发酵过程中平均细胞种群规模约为4.06×10⁸ cells/mL
- 第三代菌株在500小时CCCF中的比乙醇生产率和比葡萄糖利用率均高于第二代。
研究结论
长期CCCF系统（PDMS膜渗透汽化耦合连续闭路循环发酵）是一种有效的适应性进化方法，经三轮筛选获得的600代后代菌株在恶化发酵环境中表现出显著优于亲本的发酵性能，该方法可用于优化酵母菌株并可能适用于其他产乙醇微生物。