An evaluation of cellulose saccharification and fermentation with an engineered Saccharomyces cerevisiae capable of cellobiose and xylose utilization
- 作者
- Jerome M. Fox, Seth E. Levine, Harvey W. Blanch, Douglas S. Clark
- 单位
- Energy Biosciences Institute, University of California, Berkeley, CA, USA; Department of Chemical and Biomolecular Engineering, University of California, Berkeley, CA, USA
- 杂志
- Biotechnology Journal（2012）
- DOI
- 10.1002/biot.201100209
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
评估工程化酿酒酵母DA24-16（可同时利用纤维二糖和木糖）在同步糖化发酵（SSF）中取代外源β-葡萄糖苷酶的能力，并比较SSF与分步水解发酵（SHF）的工艺性能。
研究策略
将纤维素酶水解的机理动力学模型与多底物微生物生长模型耦合，模拟DA24-16及改进型CDT酵母在不同工艺条件下的纤维素转化率和乙醇生产停留时间，并进行敏感性分析。
研究路线图
核心内容
该研究通过将纤维素酶水解机理动力学模型与多底物微生物生长模型耦合，系统评估了可同时利用纤维二糖和木糖的工程化酿酒酵母DA24-16在同步糖化发酵（SSF）中替代外源β-葡萄糖苷酶的潜力，并比较了SSF与分步水解发酵（SHF）的工艺性能。模拟结果显示，DA24-16在SSF中140小时仅实现10%的纤维素转化率（有木糖时25%），而非CDT菌株补充β-葡萄糖苷酶在90小时即达到近100%转化。在75 g/L乙醇生产目标下，12小时水解步骤的SHF停留时间最短（59.5小时），最优CDT菌株需96.75小时，比SHF长62.6%；即使将转运体亲和力提升至极限，最佳CDT菌株仍需62.25小时，仍比SHF长4.6%。CDT菌株在27.25小时内完全消耗木糖，优于非CDT菌株的38小时和SHF的37.5小时。将接种量提高至OD600约50时，SSF（非CDT加β-葡萄糖苷酶）停留时间可缩短至42.25小时，优于SHF。结果表明改进纤维二糖利用的CDT酵母难以使SSF比SHF更快达到高乙醇滴度，CDT可减少但不能完全消除外源β-葡萄糖苷酶需求，但在SHF工艺中对纤维二糖不敏感的纤维素酶开发后，改进菌株仍具应用价值。
创新点
首次将独立验证且能追踪纤维寡糖链长的纤维素酶机理模型与微生物生长模型结合，系统评估纤维二糖利用酵母在SSF中的潜在优势；并针对CDT转运体、胞内β-葡萄糖苷酶及木糖同化途径对SSF/SHF性能的影响进行了量化预测。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae DA24-16 | 纤维二糖利用 | — | cellodextrin transporter (CDT) | 转运 | 来自Neurospora crassa，负责纤维二糖跨膜转运 |
| Saccharomyces cerevisiae DA24-16 | 纤维二糖利用 | — | 胞内β-葡萄糖苷酶 | 催化 | 水解细胞内的纤维二糖为葡萄糖 |
| Saccharomyces cerevisiae DA24-16 | 木糖同化 | — | 木糖同化途径（木糖还原酶、木糖醇脱氢酶、木酮糖激酶等） | 催化 | 整合的外源木糖代谢途径，使菌株能利用木糖 |
| Saccharomyces cerevisiae (非CDT) + 外源β-葡萄糖苷酶 | 纤维素糖化与发酵 | — | β-葡萄糖苷酶 | 催化 | 外源添加，将纤维二糖水解为葡萄糖以减轻产物抑制 |
| 体外酶解体系 | 纤维素水解 | — | TrCel7A (CBHI) | 催化 | 来自Trichoderma sp.，外切纤维素酶，作用于纤维素链还原端 |
| 体外酶解体系 | 纤维素水解 | — | TrCel6A (CBHII) | 催化 | 来自Trichoderma sp.，外切纤维素酶，作用于纤维素链非还原端 |
| 体外酶解体系 | 纤维素水解 | — | TemGH5 (EGI) | 催化 | 来自Talaromyces emersonii，内切葡聚糖酶，随机切割纤维素链内部糖苷键 |
| Saccharomyces cerevisiae DA24-16 | 纤维二糖与木糖共利用 | — | 木糖/纤维二糖转运相关蛋白 | 转运 | 葡萄糖对纤维二糖和木糖摄取存在抑制，CDT可缓解葡萄糖对木糖摄取的抑制 |
关键发现
- DA24-16菌株在SSF中140 h仅实现10%纤维素转化（有木糖时25%），而非CDT菌株补充β-葡萄糖苷酶在90 h达到近100%转化
- 生产75 g/L乙醇时，12 h水解步骤的SHF停留时间最短（59.5 h），而最优CDT菌株（K_C2=K_C1, μmax-C2=μmax-C1）需96.75 h，比SHF长62.6%
- 即使将K_C2降至0，μmax-C2设为0.5 h^-1，最佳CDT菌株仍需62.25 h，仍比SHF长4.6%
- CDT菌株在27.25 h内完全消耗木糖，而非CDT菌株需38 h，SHF需37.5 h
- 提高菌株接种量至OD600~50时，SSF（非CDT+β-葡萄糖苷酶）的停留时间（42.25 h）可短于12 h水解SHF（45.5 h）。
研究结论
改进纤维二糖利用的CDT酵母不太可能使SSF比SHF更快达到高乙醇滴度；CDT可减少但不能完全消除外源β-葡萄糖苷酶需求；在SHF工艺中，若开发出对纤维二糖不敏感的纤维素酶，改进的纤维二糖利用菌株仍具有潜在价值。