Simultaneous improvement of saccharification and ethanol production from crystalline cellulose by alleviation of irreversible adsorption of cellulose with a cell surface-engineered yeast strain
- 作者
- Yuki Matano, Tomohisa Hasunuma, Akihiko Kondo
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2012）
- DOI
- 10.1007/s00253-012-4587-x
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
纤维素酶在结晶纤维素表面的不可逆吸附导致水解不完全，乙醇产量受限。
研究策略
利用细胞表面展示三种纤维素酶（β-葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶、内切葡聚糖酶）的重组酵母菌株，通过表面展示的酶缓解游离纤维素酶的不可逆吸附，提高结晶纤维素水解效率和乙醇产量。
核心内容
针对结晶纤维素水解中游离纤维素酶不可逆吸附导致水解不完全和乙醇产量受限的问题，本研究构建了细胞表面共展示β-葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶和内切葡聚糖酶的重组酿酒酵母菌株NBRC1440/B-EC3。通过在同步糖化发酵过程中利用表面展示酶缓解游离酶的不可逆吸附，该菌株显著提升了结晶纤维素的糖化效率和乙醇产量。实验显示，在50 g/L Avicel水解96小时时，47.1%的游离纤维素酶发生不可逆吸附，但表面展示菌株可将残余纤维素降至10.8%。在100 g/L Avicel和1.0 FPU/mL纤维素酶条件下进行SSF，重组菌株产乙醇48.9 g/L，达到理论产率的87.3%，远高于野生型的44.7 g/L（79.7%）；残余纤维素仅1.5 g/L，为野生型（6.1 g/L）的四分之一，体积乙醇产率也从2.0 g/L/h提升至2.5 g/L/h。该策略通过缓解不可逆吸附，有效解决了高浓度底物下酶失活问题，为温和预处理条件下的结晶纤维素生物乙醇生产提供了可行途径。
创新点
首次证明细胞表面展示纤维素酶可缓解不可逆吸附并改善结晶纤维素水解；在高浓度Avicel下显著提高乙醇产量并降低残余纤维素。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae NBRC1440/B-EC3 | 纤维素同步糖化发酵（SSF） | — | β-glucosidase (Aspergillus aculeatus) | 催化 | 细胞表面展示 |
| Saccharomyces cerevisiae NBRC1440/B-EC3 | 纤维素同步糖化发酵（SSF） | — | cellobiohydrolase II (Trichoderma reesei) | 催化 | 细胞表面展示 |
| Saccharomyces cerevisiae NBRC1440/B-EC3 | 纤维素同步糖化发酵（SSF） | — | endoglucanase (Trichoderma reesei) | 催化 | 细胞表面展示 |
| Saccharomyces cerevisiae NBRC1440 | 纤维素同步糖化发酵（SSF） | — | — | 催化 | 野生型对照菌株 |
关键发现
- 96h水解50g/L Avicel时，47.1%的游离纤维素酶不可逆吸附，10.8%结晶纤维素残留
- SSF 100g/L Avicel+1.0 FPU/mL纤维素酶时，野生型NBRC1440产乙醇44.7g/L（理论产率79.7%），表面展示菌株NBRC1440/B-EC3产乙醇48.9g/L（理论产率87.3%），残余纤维素仅为1.5g/L，是野生型（6.1g/L）的1/4
- 体积乙醇产率由2.0g/L/h提高至2.5g/L/h。
研究结论
细胞表面展示纤维素酶的重组酵母可通过缓解游离纤维素酶在结晶纤维素上的不可逆吸附，显著提高纤维素水解效率和乙醇产量，为温和预处理条件下结晶纤维素生物乙醇生产提供有效策略。