Fermentation of Lactose to Ethanol with Recombinant Yeast in an Immobilized Yeast Membrane Bioreactor
- 作者
- Yong S. Jeong, W.R. Vieth, T. Matsuura
- 单位
- Department of Chemical and Biochemical Engineering, Rutgers University; Institute for Environmental Chemistry, National Research Council of Canada
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（1991）
- DOI
- 10.1002/bit.260370614
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
利用基因工程酵母将乳糖发酵为乙醇，并解决重组质粒在发酵过程中不稳定、易丢失的问题。
研究策略
构建整合型（13B）和游离型（13D）两种重组酵母菌株，采用夹心式膜生物反应器（超滤膜与反渗透膜之间固定化细胞）进行乳糖发酵，并与摇瓶培养比较质粒稳定性。
研究路线图
核心内容
该研究构建了整合型（13B）和游离型（13D）两种重组酿酒酵母菌株，分别将乳糖酶和乳糖通透酶基因整合至染色体或保留于游离质粒上，以解决重组质粒在长期发酵中不稳定的问题。研究者将菌株细胞夹持在超滤膜与反渗透膜之间的夹心式膜生物反应器中进行乳糖发酵产乙醇，并与传统摇瓶培养对比。结果显示，摇瓶中13B菌株培养82代后100%细胞仍含质粒，而13D菌株81代后仅53%含质粒；在膜反应器中，13D运行8天后76%细胞含质粒，显著高于摇瓶条件。13B最终细胞数达6.74×10⁹，高于13D的5.42×10⁹，且乙醇比生产力更高为7.74×10⁻¹¹ g/细胞·h。该夹心式膜反应器通过固定化细胞有效延缓了游离质粒的丢失，且整合型菌株在遗传稳定性和发酵性能上均优于游离型，为重组酵母连续发酵乳糖产乙醇提供了更稳定的操作策略。
创新点
首次将细胞夹持在超滤膜和反渗透膜之间的膜生物反应器应用于基因工程酵母的乳糖发酵；利用膜固定化改善重组质粒的操作稳定性。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae DBY745 | 乳糖发酵产乙醇 | LAC4 | β-半乳糖苷酶 | 催化 | 来自Kluyveromyces lactis，插入质粒pSH096/pSH206中，负责水解乳糖 |
| Saccharomyces cerevisiae DBY745 | 乳糖转运 | LAC12 | 乳糖通透酶 | 转运 | 乳糖利用基因之一，负责乳糖跨膜运输 |
| Saccharomyces cerevisiae DBY745 | 乳糖发酵产乙醇 | pSH096 | — | 调控 | 整合型质粒，含LAC4/LAC12/LAC13、HO基因、CRC1启动子等，用于构建Lactophile 13B菌株 |
| Saccharomyces cerevisiae DBY745 | 乳糖发酵产乙醇 | pSH206 | — | 调控 | 含2-μm复制起点和LEU2-d的高拷贝游离型质粒，用于构建Lactophile 13D菌株 |
关键发现
- 13B菌株在摇瓶中培养82代（163 h）后100%细胞仍含质粒，平均乙醇比生产力为7.74×10^-11 g乙醇/细胞·h
- 13D菌株81代（187 h）后仅53%细胞含质粒。在夹心式膜反应器中，13D菌株运行8天后76%细胞含质粒，显著高于摇瓶。13B最终细胞数为6.74×10^9，高于13D的5.42×10^9
- 13B乙醇生产力高于13D。
研究结论
夹心式全细胞膜生物反应器系统提高了重组酵母细胞发酵乳糖产乙醇的操作稳定性，其中整合型菌株13B比游离型13D更稳定、生长更快、产乙醇能力更高。