Enhancement in xylose utilization using Kluyveromyces marxianus NIRE-K1 through evolutionary adaptation approach
- 作者
- Nilesh Kumar Sharma, Shuvashish Behera, Richa Arora, Sachin Kumar
- 杂志
- Bioprocess and Biosystems Engineering（2016）
- DOI
- 10.1007/s00449-016-1563-3
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
提高耐热酵母Kluyveromyces marxianus NIRE-K1的木糖利用能力，以促进木质纤维素乙醇的经济生产
研究策略
在45°C下以木糖为唯一碳源进行连续批次培养（60批次）的适应性进化，筛选获得木糖利用性能显著提升的驯化菌株
研究路线图
核心内容
该研究通过适应性进化策略提升耐热酵母Kluyveromyces marxianus NIRE-K1的木糖利用能力。研究者在不引入外源基因的前提下，于45°C以木糖为唯一碳源进行连续60批次的培养，筛选获得驯化菌株。结果显示，驯化菌株的木糖摄取速率达到0.38±0.02 g/g/h，为原始菌株的3倍；好氧最大比生长速率提高至0.097±0.01 h⁻¹，较原始菌株提升2.25倍，滞后期从11小时缩短至8小时。在厌氧发酵72小时内，驯化菌株消耗27.43±2.20 g/L木糖（约91%），产生乙醇2.88±0.21 g/L和木糖醇18.75±1.10 g/L，分别为原始菌株的5.11倍和5.71倍，乙醇和木糖醇产率分别提升1.57和1.65倍。研究证明适应性进化是增强K. marxianus NIRE-K1木糖代谢和产物合成的有效手段，驯化菌株展现出更短的延迟期和更高的底物转化效率，为经济可行的木质纤维素乙醇生产提供了有价值的菌株基础。
创新点
采用适应性进化策略而非基因工程改造，在未引入外源基因的情况下显著提高了K. marxianus NIRE-K1的木糖摄取速率、生长速率和产物产量
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Kluyveromyces marxianus NIRE-K1 | 木糖代谢 | — | — | — | 耐热酵母，通过60批次适应性进化获得木糖利用能力显著提升的驯化菌株 |
关键发现
- 驯化菌株木糖摄取速率为0.38±0.02 g/g/h，是原始菌（0.14±0.04 g/g/h）的3倍
- 好氧生长最大比生长速率0.097±0.01 h⁻¹，比原始菌（0.043±0.005 h⁻¹）高2.25倍，滞后时间从11 h缩短至8 h
- 厌氧发酵72 h利用了27.43±2.20 g/L木糖（约91%），产生乙醇2.88±0.21 g/L和木糖醇18.75±1.10 g/L，分别为原始菌的5.11倍和5.71倍
- 乙醇产率0.11±0.02 g/g，木糖醇产率0.68±0.05 g/g，比糖消耗速率0.063±0.01 g/g/h，分别比原始菌高1.57、1.65和4.84倍
- 驯化菌株生物量4.1 g/L，为原始菌的4.87倍。
研究结论
适应性进化是提高K. marxianus NIRE-K1木糖利用和乙醇/木糖醇产量的有效策略，驯化菌株对木糖发酵表现出更短的延迟期和更高的产物生成速率，有望用于经济可行的木质纤维素生物乙醇生产。