高级醇 · 代谢工程文献库

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Display of phytase on the cell surface of Saccharomyces cerevisiae to degrade phytate phosphorus and improve bioethanol production

作者
Xianzhong Chen, Yan Xiao, Wei Shen, Algasan Govender, Liang Zhang, You Fan, Zhengxiang Wang
单位
Key Laboratory of Industrial Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University; Department of Biotechnology & Food Technology, Faculty of Applied Sciences, Durban University of Technology; Key Laboratory of Industrial Fermentation Microbiology of Ministry of Education, Tianjin University of Science & Technology
杂志
Applied Microbiology and Biotechnology（2015）
DOI
10.1007/s00253-015-7170-4
所属领域
代谢工程
关键词
BioethanolPhytaseSaccharomyces cerevisiaeSurface-displaying expression
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解决的核心问题

玉米原料乙醇发酵过程中，植酸会降低乙醇生产效率并导致磷排放增加，同时降低DDGS的动物饲料价值。

研究策略

利用酵母α-凝集素C端半段作为锚定蛋白，将植酸酶展示在酿酒酵母细胞表面，使其在发酵过程中持续降解植酸并释放无机磷，从而改善发酵性能并减少磷排放。

研究路线图

玉米乙醇发酵中植酸抑制效率并增加磷排放
构建细胞表面展示植酸酶的重组酿酒酵母
α-凝集素C端锚定植酸酶于细胞表面
PGK1启动子驱动融合基因表达并整合至rDNA位点
重组菌株PHY表面植酸酶活力6.4 U/g湿细胞
摇瓶乙醇产量112.7 g/L，提高5.5%
5-L发酵速率提高18%，乙醇113.5 g/L
DDGS植酸磷降低89.8%，游离磷增加142.9%
实现高效低磷排放的玉米基乙醇生产平台
无需外源添加植酸酶，降低成本简化工艺
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核心内容

针对玉米乙醇发酵中植酸抑制生产效率并增加磷排放的问题，本研究以工业酿酒酵母CICIMY0086为宿主，利用α-凝集素C端半段作为锚定蛋白，将植酸酶展示于细胞表面，构建了重组菌株PHY。该策略使植酸酶在发酵全程持续降解植酸并释放无机磷，无需外源添加酶制剂。结果显示，重组菌株表面植酸酶活力达6.4 U/g湿细胞；摇瓶发酵中乙醇产量为112.7 g/L，较对照提高5.5%，发酵效率达89.96%。在5-L生物反应器中，PHY菌株比生长速率提高20.1%，平均发酵速率提高18%，最终乙醇浓度达113.5 g/L，较对照高6.2%。尤为关键的是，DDGS中植酸磷含量降低89.8%，游离磷浓度由1.4 mmol/L升至3.4 mmol/L。该研究首次在工业乙醇菌株中实现植酸酶表面展示，在提升乙醇产量与发酵速率的同时显著降低磷排放并改善DDGS饲料价值，为环境友好的玉米基生物乙醇生产提供了可借鉴的工程平台。

创新点

首次在工业乙醇生产菌株酿酒酵母CICIMY0086细胞表面展示植酸酶，实现植酸的持续降解，无需外源添加植酸酶，降低了成本并简化了工艺。

研究对象（4）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Saccharomyces cerevisiae CICIMY0086 植酸降解 phy 植酸酶 催化 密码子优化的植酸酶基因（GenBank JQ976672.1），展示于细胞表面，降解植酸释放无机磷
Saccharomyces cerevisiae CICIMY0086 细胞表面展示 AGα1 α-凝集素C端半段 区室化 作为锚定蛋白将植酸酶固定在细胞表面
Saccharomyces cerevisiae CICIMY0086 乙醇发酵 PGK1 promoter 磷酸甘油酸激酶启动子 调控 强组成型启动子，驱动植酸酶-锚定蛋白融合基因的表达
Saccharomyces cerevisiae CICIMY0086 乙醇发酵 rDNA 核糖体DNA 区室化 作为同源整合位点，将外源基因整合到基因组中

关键发现

  1. 重组菌株PHY表面植酸酶活力达6.4 U/g湿细胞，细胞壁部分为9.2 U/g；摇瓶发酵中PHY菌株乙醇产量112.7 g/L，比对照菌株高5.5%，发酵效率达89.96%（对照85.82%）；5-L生物反应器中，PHY菌株比生长速率提高20.1%（0.53 vs
  2. 44 1/h），平均发酵速率提高18%（3.02 vs
  3. 56 g glucose/h），最终乙醇浓度113.5 g/L，提高6.2%；DDGS中植酸磷含量降低89.8%，游离磷浓度提高142.9%（最终游离磷3.4 mmol/L vs
  4. 4 mmol/L）；植酸酶最适pH
  5. 5，最适温度55°C。

研究结论

构建了细胞表面展示植酸酶的重组酿酒酵母菌株PHY，可有效降解玉米乙醇发酵中的植酸，提高乙醇产量和发酵速率，同时显著降低DDGS中植酸磷含量并增加游离磷，减少磷排放，为环境友好的玉米基生物乙醇生产提供了新型工程平台。

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