Ethanol production from acid- and alkali-pretreated corncob by endoglucanase and β-glucosidase co-expressing Saccharomyces cerevisiae subject to the expression of heterologous genes and nutrition added
- 作者
- Chunying Feng, Shaolan Zou, Cheng Liu, Huajun Yang, Kun Zhang, Yuanyuan Ma, Jiefang Hong, Minhua Zhang
- 杂志
- World Journal of Microbiology and Biotechnology（2016）
- DOI
- 10.1007/s11274-016-2043-2
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在添加外源纤维素酶的条件下，内切葡聚糖酶（EG）和β-葡萄糖苷酶（BGL）共表达酿酒酵母中异源酶活性及比例、营养条件对利用预处理玉米芯产乙醇发酵性能的影响
研究策略
构建10株共表达T. reesei eg2和A. aculeatus bgl1的酿酒酵母重组菌株，通过酶活测定和两种不同营养培养基（YPSC和USC）中的发酵实验，比较各菌株的CMCase/BGL活性比、最高乙醇产量，并分析与发酵性能的关系
核心内容
为探究异源纤维素酶活性及比例对预处理玉米芯乙醇发酵的影响，该研究构建了10株共表达里氏木霉内切葡聚糖酶基因eg2和棘孢曲霉β-葡萄糖苷酶基因bgl1的酿酒酵母重组菌株，并在添加外源纤维素酶的条件下，分别于营养丰富的YPSC和营养较少的USC培养基中进行发酵。结果显示，发酵性能受培养基营养和酶活性比例显著影响。在YPSC中，17#和19#菌株乙醇产量最高，分别达34.90 g/l和33.81 g/l，远高于对照的1.17 g/l，其CMCase与β-葡萄糖苷酶活性比约为7.0–7.4；而在USC中，3#和11#菌株表现最佳，产量分别为33.87 g/l和34.76 g/l，显著高于对照的24.02 g/l，其中11#菌株CMCase活性高达39.61 U/ml，活性比为12.41。所有重组菌株在USC中6天内的乙醇生产率均高于对照。这表明优化异源纤维素酶的表达比例与活性对于提高纤维素乙醇生产至关重要，且最佳酶活配比随营养条件而变化。
创新点
首次系统研究了在添加外源纤维素酶的条件下，EG和BGL共表达酿酒酵母菌株中异源纤维素酶活性和比例以及营养条件对发酵性能的影响
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae W303-1A | 纤维素乙醇发酵 | — | — | 催化 | 对照菌株，不具备异源纤维素酶表达 |
| Saccharomyces cerevisiae W1 | 纤维素降解 | eg2 (Trichoderma reesei) | 内切葡聚糖酶II (EGII) | 催化 | 宿主菌株，δ整合表达eg2，用于后续BGL表达 |
| Saccharomyces cerevisiae 重组菌株（如3#、11#、17#等） | 纤维素降解 | bgl1 (Aspergillus aculeatus) | β-葡萄糖苷酶I (BGLI) | 催化 | 在W1基础上δ整合BGL，共表达EG和BGL，酶活和比例各异 |
| Saccharomyces cerevisiae 重组菌株 | 纤维素降解 | eg2, bgl1 | 内切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶 | 催化 | 共表达两种异源纤维素酶，影响外源纤维素酶的协同作用 |
关键发现
- 在YPSC培养基中，重组菌株最高乙醇产量差异大：17#和19#菌株最高，分别为34.90±1.14 g/l和33.81±0.74 g/l，对照W303-1A仅1.17±0.23 g/l
- 17#和19#的CMCase/β-葡萄糖苷酶活性比分别为7.04±0.61和7.40±0.71。在USC培养基中，3#和11#菌株产量最高，分别为33.87±1.14 g/l和34.76±0.57 g/l，显著高于对照24.02±0.87 g/l
- 11#菌株CMCase活性为39.61±1.32 U/ml，比值为12.41±0.92。外源IJT纤维素酶的CMCase和β-葡萄糖苷酶活性分别为891864.05±21060.31 U/g和458.79±22.96 U/g，比值1943.95。所有重组菌株在USC中6天内乙醇生产率均高于对照。
研究结论
EG和BGL共表达酿酒酵母的发酵性能受培养基营养和异源纤维素酶活性和比例显著影响。在营养丰富的YPSC中，CMCase/β-葡萄糖苷酶比值约7.0-7.4的菌株发酵性能最佳；在营养较少的USC中，具有较高CMCase活性和比值的菌株（如3#和11#）产乙醇更高。优化异源酶表达比例和活性是提高纤维素乙醇生产的关键。