Effect of pretreatment of hydrothermally processed rice straw with laccase-displaying yeast on ethanol fermentation
- 作者
- Akihito Nakanishi, Jun Gu Bae, Kotaro Fukai, Naoki Tokumoto, Kouichi Kuroda, Jun Ogawa, Masato Nakatani, Sakayu Shimizu, Mitsuyoshi Ueda
- 单位
- Division of Applied Life Sciences, Graduate School of Agriculture, Kyoto University; Daiwa Kasei
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2012）
- DOI
- 10.1007/s00253-012-3876-8
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
木质纤维素生物质中木质素抑制纤维素酶解和发酵，传统预处理成本高，需开发低成本的木质素降解预处理方法
研究策略
从白腐真菌Trametes sp. Ha1克隆漆酶I基因，构建表面展示漆酶的酵母作为全细胞催化剂，以ABTS为介体预处理水热处理的稻草，再由共展示内切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶和β-葡萄糖苷酶的酵母进行乙醇发酵
研究路线图
核心内容
该研究从白腐真菌Trametes sp. Ha1中克隆了漆酶I基因（GenBank登录号JF825479），并将其表面展示在酿酒酵母细胞上，构建了一种无需酶纯化的全细胞催化剂。以ABTS为介体，该漆酶展示酵母对水热处理后的稻草进行预处理，随后利用共展示内切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶和β-葡萄糖苷酶的酵母进行乙醇发酵。漆酶展示酵母培养60小时后表现出高ABTS氧化活性。经漆酶展示酵母和ABTS预处理的稻草，在24小时时乙醇发酵活性比对照高1.21倍。Klason木质素分析显示不溶性木质素未显著减少，但HPLC检测到可溶性产物，表明木质素发生部分解聚，纤维素可及性提高。该研究首次将漆酶表面展示于酵母并用于直接发酵预处理，将漆酶预处理与纤维素酶发酵整合在同一酵母展示系统中，为木质纤维素生物炼制提供了一种低成本、操作简便的策略。
创新点
首次将漆酶表面展示在酵母细胞上并用于预处理；将漆酶预处理与纤维素酶发酵整合在酵母展示系统中，无需酶纯化
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Trametes sp. Ha1 | 木质素降解 | laccase I | Laccase I | 催化 | 白腐真菌来源的漆酶，含10个内含子和原始分泌信号序列 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4741(Δsed1) | 木质素降解预处理 | laccase I (表面展示) | Laccase I (与α-凝集素融合) | 催化 | 构建pULD-LacI载体，通过α-凝集素表面展示，需Cu2+和ABTS介体 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4741(Δsed1) | 纤维素糖化 | endoglucanase (EG) | Endoglucanase II | 催化 | 来自Trichoderma reesei，表面展示于酵母细胞 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4741(Δsed1) | 纤维素糖化 | cellobiohydrolase (CBH) | Cellobiohydrolase II | 催化 | 来自Trichoderma reesei，表面展示于酵母细胞，带Strep标签 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4741(Δsed1) | 纤维素糖化 | β-glucosidase (BG) | β-glucosidase | 催化 | 表面展示于酵母细胞，带RGSHHHHHH标签 |
| Saccharomyces cerevisiae BY4741(Δsed1) | 乙醇发酵 | 无 | 无 | 区室化 | Δsed1菌株提高表面展示效率，作为发酵宿主 |
关键发现
- 克隆了漆酶I基因（GenBank登录号JF825479），含10个内含子
- 与Trametes sp. AH28-2的lac A基因DNA序列同源性为97.3%，氨基酸序列同源性为99.2%
- 与Trametes hirsuta的木质素酚氧化酶DNA序列同源性为86.7%，氨基酸序列同源性为98.7%
- 漆酶展示酵母培养60h后表现出高ABTS氧化活性
- 经漆酶展示酵母和ABTS预处理的HPRS，在24h时乙醇发酵活性比对照高1.21倍
- Klason木质素分析显示不溶性木质素未显著减少，但HPLC检测到可溶性产物，表明木质素部分解聚、纤维素可及性提高
研究结论
漆酶展示酵母与ABTS介体联合预处理水热处理稻草可有效提高乙醇发酵效率，这是首次将漆酶用于直接发酵预处理，为木质纤维素生物炼制提供了一种低成本策略