高级醇 · 代谢工程文献库

← 返回列表

Enhanced hydrolysis of lignocellulosic biomass: Bi-functional enzyme complexes expressed in Pichia pastoris improve bioethanol production from Miscanthus sinensis

作者
Sang Kyu Shin, Jeong Eun Hyeon, Young In Kim, Dea Hee Kang, Seung Wook Kim, Chulhwan Park, Sung Ok Han
单位
Department of Biotechnology, Korea University; Institute of Life Science and Natural Resources, Korea University; Department of Chemical and Biological Engineering, Korea University; Department of Chemical Engineering, Kwangwoon University
杂志
Biotechnology Journal（2015）
DOI
10.1002/biot.201500081
所属领域
代谢工程
关键词
BioethanolBiorefineryEnzyme complexMiscanthus sinensisPichia pastoris
阅读原文
查看 PDF 原文

解决的核心问题

木质纤维素生物质中纤维素和半纤维素的高效水解是生物乙醇生产的关键瓶颈，传统游离酶水解效率低且成本高，需要开发协同多酶复合体系以提高糖化效率和乙醇产量。

研究策略

在毕赤酵母中异源表达来自溶纤维梭菌的木聚糖酶XynB、来自热纤梭菌的嵌合内切葡聚糖酶cCelE以及重组脚手架蛋白mini-CbpA，通过cohesin-dockerin相互作用自组装成迷你纤维素体，利用脚手架蛋白的CBM模块结合底物，实现酶对木聚糖和纤维素底物的协同降解，并直接发酵生成乙醇。

研究路线图

100%
木质纤维素水解瓶颈：游离酶效率低，需协同多酶体系
毕赤酵母中自组装迷你纤维素体（scaffoldin+catalytic domain）
导入xynB、cCelE、mini-CbpA基因至P. pastoris
ADH2启动子在氧限制下驱动蛋白表达
cohesin-dockerin互作形成功能性迷你纤维素体
同步糖化发酵：木聚糖/CMC/预处理芒草→乙醇
乙醇产量：1.08-1.18 g/L（较游离酶提高2.3-2.7倍）
CaZyme比活力6.2 U/mg；协同效应达1.9倍
整细胞催化剂实现木质纤维素高效降解与燃料生产
Text is not SVG - cannot display

下载 .drawio 源文件

核心内容

针对木质纤维素生物质中纤维素和半纤维素水解效率低的问题，本研究在毕赤酵母中构建了功能性迷你纤维素体。研究将来自溶纤维梭菌的木聚糖酶XynB、来自热纤梭菌的嵌合内切葡聚糖酶cCelE与重组脚手架蛋白mini-CbpA共表达，利用cohesin-dockerin相互作用实现酶的自组装，并通过脚手架蛋白的CBM模块结合底物。以木聚糖为底物时，共表达菌株产乙醇约1.18 g/L，是游离酶表达菌株的2.3倍；以羧甲基纤维素为底物时产乙醇约1.07 g/L，为游离酶菌株的2.7倍；以预处理芒草为底物时产乙醇1.08 g/L，较野生型提高约1.9倍。酶活测定显示组装的迷你纤维素体比活力达6.2 U/mg，协同效应为1.9倍。结果表明，该策略成功实现了多酶复合物的功能组装与协同降解，为开发高效降解木质纤维素并生产生物燃料的整细胞催化剂提供了可行方案。

创新点

首次在毕赤酵母中实现基于mini-CbpA的迷你纤维素体功能组装；采用ADH2启动子在氧限制条件下驱动酶表达；以芒草（Miscanthus sinensis）为底物进行同步糖化发酵，显著提高生物乙醇产量。

研究对象（3）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Pichia pastoris X-33 木质纤维素降解与乙醇发酵 xynB XynB 催化 来源于Clostridium cellulovorans的endo-1,4-β-xylanase，携带dockerin结构域，用于水解木聚糖
Pichia pastoris X-33 木质纤维素降解与乙醇发酵 cCelE cCelE 催化 来源于Clostridium thermocellum的嵌合内切葡聚糖酶CelE，融合dockerin结构域，用于水解纤维素
Pichia pastoris X-33 木质纤维素降解与乙醇发酵 mini-CbpA mini-CbpA 区室化 来自Clostridium cellulovorans的重组脚手架蛋白，含CBM和cohesin结构域，用于组装多酶复合物并提供底物结合能力

关键发现

  1. 以木聚糖为底物时，共表达mini-CbpA和XynB的重组菌株产乙醇约1.18 g/L，是游离酶表达菌株的2.3倍
  2. 以CMC为底物时产乙醇约1.07 g/L，是游离酶菌株的2.7倍
  3. 以预处理芒草为底物时产乙醇1.08 g/L，较野生型提高约1.9倍
  4. 酶活测定显示CelE比活力为1.4 U/mg，XynB为1.8 U/mg，组装的迷你纤维素体比活力为6.2 U/mg，协同效应为1.9倍。

研究结论

本研究成功构建了表达功能性迷你纤维素体的重组毕赤酵母菌株，通过酶复合物协同作用显著提高了木聚糖、CMC和芒草的水解效率及乙醇产量，证明该策略可用于开发高效降解木质纤维素并生产生物燃料的整细胞催化剂。