Alleviating Monoterpene Toxicity Using a Two-Phase Extractive Fermentation for the Bioproduction of Jet Fuel Mixtures in Saccharomyces cerevisiae
- 作者
- Timothy C.R. Brennan, Christopher D. Turner, Jens O. Kromer, Lars K. Nielsen
- 单位
- Australian Institute for Bioengineering and Nanotechnology (AIBN), University of Queensland, Brisbane Qld 4072, Australia
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（2012）
- DOI
- 10.1002/bit.24536
- 所属领域
- 代谢工程/发酵工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
单萜类化合物对酿酒酵母等微生物具有高毒性，严重制约了微生物法生产单萜基航空燃料。
研究策略
采用两相萃取发酵技术，筛选与单萜相容且生物相容的有机溶剂，原位萃取单萜以降低其在水相中的浓度；同时探索以法尼烯作为萃取剂和共产品，实现航空燃料混合物的生物生产。
研究路线图
核心内容
该研究针对单萜类化合物对酿酒酵母的高毒性问题，系统测定了五种单萜的最低抑制浓度（MIC），发现柠檬烯为0.44 mM、月桂烯为2.12 mM，且所有单萜的MIC均远高于其水溶度，证明毒性主要源于相毒性而非分子毒性。在此基础上，研究筛选了十种有机溶剂进行两相萃取发酵，其中邻苯二甲酸二丁酯效果最佳，在10%溶剂体系中将柠檬烯的MIC提升至308.7 mM（42.1 g/L），较无溶剂体系提高702倍，同时细胞活力保持在92%。长期驯化885小时仅将MIC从0.44 mM提升至0.45 mM，效果甚微。研究还提出利用酵母自身产物法尼烯作为萃取剂和共产品，模型预测10%柠檬烷与90%法尼烷的混合物闪点为56.45°C、密度778.75 kg/m³，性质接近Jet-A航空燃料规格。该研究表明两相萃取发酵可有效缓解单萜毒性，显著提升单萜产量潜力，同时通过法尼烯共萃取可简化工艺并直接获得航空燃料前体混合物。
创新点
['定量测定了五种单萜对酿酒酵母的最低抑制浓度（MIC），并揭示毒性主要源于相毒性而非分子毒性。', '系统筛选了十种有机溶剂，证明邻苯二甲酸二丁酯等溶剂可将柠檬烯的MIC提高702倍。', '提出利用酵母自身产物法尼烯作为萃取剂，并与柠檬烯共混，获得性质接近Jet-A航空燃料的混合物。']
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae S288C | — | — | — | 区室化 | 宿主菌株，用于评估单萜毒性和两相萃取发酵 |
| — | 单萜生物合成途径（从香叶基焦磷酸GPP合成） | — | 单萜合酶 (monoterpene synthase) | 催化 | 文献中提及，单萜合成的关键酶，但本研究未进行基因操作 |
关键发现
- 五种单萜对S. cerevisiae的MIC分别为：柠檬烯0.44 mM、松油烯0.53 mM、γ-萜品烯0.70 mM、β-蒎烯1.45 mM、月桂烯2.12 mM
- 所有单萜的MIC远高于其水溶度，表明毒性为相毒性。在10种筛选溶剂中，邻苯二甲酸二丁酯表现最佳：在10%溶剂体系中，柠檬烯的MIC达308.7 mM（42.1 g/L），较无溶剂体系提高702倍，细胞活力保持在92%
- 邻苯二甲酸二辛酯和肉豆蔻酸异丙酯均提高351倍（154.3 mM），法尼烯提高140倍（61 mM）。长期驯化（885小时，225代）仅将柠檬烯MIC从0.44 mM提升至0.45 mM，效果甚微。模型预测10%柠檬烷与90%法尼烷的混合物闪点56.45°C、密度778.75 kg/m3、冰点-40.36°C、粘度7.714 mm2/s，燃烧热43.94 MJ/kg，与Jet-A规格相近。
研究结论
两相萃取发酵可有效缓解单萜对酿酒酵母的毒性，大大提高单萜产量潜力；以法尼烯作为萃取剂和共产品可简化工艺并直接获得航空燃料前体混合物。