高级醇 · 代谢工程文献库

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A genome shuffling-generated Saccharomyces cerevisiae isolate that ferments xylose and glucose to produce high levels of ethanol

作者
Ge Jingping, Sun Hongbing, Song Gang, Ling Hongzhi, Ping Wenxiang
杂志
Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology（2012）
DOI
10.1007/s10295-011-1076-7
所属领域
代谢工程
关键词
Ethanol productionGenome shufflingSaccharomyces cerevisiaeXylose metabolism
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解决的核心问题

酿酒酵母无法有效发酵木糖，导致木质纤维素水解液中的木糖未能充分利用，乙醇产量低

研究策略

以整合了木糖还原酶（XR）、木糖醇脱氢酶（XDH）和木糖激酶（XK）基因的酿酒酵母工程菌为出发菌株，通过原生质体灭活、融合和三轮基因组改组，筛选高效发酵木糖和葡萄糖产乙醇的菌株

研究路线图

100%
酿酒酵母W5无法有效发酵木糖，乙醇产量低
构建整合XR/XDH/XK基因的出发工程菌
原生质体制备与灭活处理（热、紫外、LiCl）
三轮基因组改组筛选高效菌株
获得菌株GS3-10：木糖利用率69.48%
乙醇产量26.65g/L（提高47%）
酶活提高（XR 28%、XDH 94%、XK 52%）
传代5代遗传稳定性好（波动1.34%）
基因组改组有效改善木糖代谢
为纤维素乙醇提供可行策略
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核心内容

以整合了木糖还原酶、木糖醇脱氢酶和木糖激酶基因的酿酒酵母工程菌为出发菌株，采用热灭活、紫外灭活和紫外加LiCl灭活三种互补方法处理亲本原生质体，通过三轮原生质体融合进行基因组改组，筛选高效共发酵木糖和葡萄糖产乙醇的菌株。获得的改组菌株GS3-10在发酵84小时时木糖利用率达69.48%，葡萄糖利用率100%，乙醇产量26.65 g/L，较野生型W5提高47.08%，乙醇收率0.40 g/g，较W5提高17.65%。该菌株的XR、XDH、XK酶活分别为4.07、30.08和137.82 U/mg，较W5分别提高28.33%、94.08%和51.68%，且传代5代后乙醇产量波动仅约1.34%，遗传稳定性良好。结果表明基因组改组能有效整合并强化木糖代谢通路，获得的高产乙醇菌株GS3-10为木质纤维素原料的乙醇生产提供了可行策略。

创新点

首次将基因组改组技术应用于改善酿酒酵母的木糖代谢通路；采用热灭活、紫外灭活和紫外加LiCl灭活三种互补灭活方法处理亲本原生质体

研究对象（4）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Saccharomyces cerevisiae W5 木糖代谢途径 xy1 木糖还原酶 (XR) 催化 来自Candida shehatae，催化木糖还原为木糖醇
Saccharomyces cerevisiae W5 木糖代谢途径 xy2 木糖醇脱氢酶 (XDH) 催化 来自Candida shehatae，催化木糖醇氧化为木酮糖
Saccharomyces cerevisiae W5 木糖代谢途径 xks1 木糖激酶 (XK) 催化 来自酿酒酵母W5自身，催化木酮糖磷酸化为5-磷酸木酮糖
Saccharomyces cerevisiae GS3-10 木糖代谢途径 — XR、XDH、XK 催化 基因组改组后菌株，三种酶活性均提高，有效发酵木糖产乙醇

关键发现

  1. 基因组改组后获得菌株GS3-10，发酵84h时木糖利用率69.48%、葡萄糖利用率100%，乙醇产量26.65g/L，较野生型W5（18.12g/L）提高47.08%
  2. W5木糖利用率仅14.83%
  3. 乙醇收率0.40g/g（乙醇/消耗糖），较W5（0.34g/g）提高17.65%
  4. 原生质体制备率95.11%，再生率16.38%
  5. XR、XDH、XK酶活分别为4.07、30.08、137.82 U/mg，较W5分别提高28.33%、94.08%、51.68%
  6. 菌株传代5代遗传稳定性好，乙醇产量波动约1.34%

研究结论

通过三轮基因组改组成功获得了能高效共发酵木糖和葡萄糖、遗传稳定的高产乙醇酿酒酵母菌株GS3-10，证明基因组改组可有效改善酿酒酵母的木糖代谢通路，为木质纤维素原料生产乙醇提供了可行策略