Ethanol production from cellulosic materials using cellulose-expressing yeast
- 作者
- Shuhei Yanase, Ryosuke Yamada, Shohei Kaneko, Hideo Noda, Tomohisa Hasunuma, Tsutomu Tanaka, Chiaki Ogino, Hideki Fukuda, Akihiko Kondo
- 单位
- Department of Chemical Science and Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University; Bio-energy Corporation R&D Laboratories; Organization of Advanced Science and Technology, Kobe University
- 杂志
- Biotechnology Journal（2010）
- DOI
- 10.1002/biot.200900291
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
酿酒酵母不能直接利用纤维素生产乙醇，需要外加纤维素酶进行糖化，导致成本高且工艺复杂。
研究策略
将来自里氏木霉的内切葡聚糖酶（EGII）、纤维二糖水解酶（CBHII）和来自棘孢曲霉的β-葡萄糖苷酶（BGL1）基因整合到酿酒酵母MT8-1基因组中，采用细胞表面展示或分泌表达，实现从无定形纤维素直接发酵产乙醇。
研究路线图
核心内容
本研究将来自里氏木霉的内切葡聚糖酶（EGII）、纤维二糖水解酶（CBHII）及棘孢曲霉的β-葡萄糖苷酶（BGL1）基因整合至酿酒酵母MT8-1基因组中，分别以分泌表达或细胞表面展示方式组合表达，构建可直接利用无定形纤维素发酵产乙醇的菌株。结果显示，共表达EG和CBH使纤维素降解能力提高3至5倍；在10 g/L磷酸溶胀纤维素直接发酵中，三酶共展示菌株乙醇产量达2.1 g/L，优于分泌EG和CBH并展示BGL的菌株（1.6 g/L）。酶活测定表明，EGII展示菌株细胞表面酶活为2.06 U/OD600，分泌上清中为1.92 U/L，而分泌型EGII上清酶活达3.56 U/L；CBHII展示菌株表面酶活为0.58 U/OD600，BGL展示菌株表面酶活为4.02 U/OD600。该工作证明细胞表面展示三酶比分泌表达更利于纤维素直接乙醇发酵，且基因组整合增强了遗传稳定性，但纤维素酶活性仍待提升以实现完全降解，为简化纤维素乙醇工艺提供了可行方向。
创新点
比较了三种纤维素酶以分泌表达或细胞表面展示方式组合表达的直接乙醇发酵效果；采用基因组整合表达系统提高遗传稳定性；证明了细胞表面展示更有利于纤维素直接发酵。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae MT8-1 | 纤维素降解/乙醇发酵 | egII | 内切葡聚糖酶EGII | 催化 | 来自Trichoderma reesei，可分泌或细胞表面展示 |
| Saccharomyces cerevisiae MT8-1 | 纤维素降解/乙醇发酵 | cbhII | 纤维二糖水解酶CBHII | 催化 | 来自Trichoderma reesei，可分泌或细胞表面展示 |
| Saccharomyces cerevisiae MT8-1 | 纤维素降解/乙醇发酵 | bgl1 | β-葡萄糖苷酶BGL1 | 催化 | 来自Aspergillus aculeatus，细胞表面展示 |
| Saccharomyces cerevisiae MT8-1 | 纤维素降解/乙醇发酵 | alpha-agglutinin | α-凝集素 | 区室化 | 用于将纤维素酶锚定在酵母细胞表面 |
关键发现
- 共表达EG和CBH使纤维素降解能力提高3-5倍
- 在10 g/L磷酸溶胀纤维素（PASC）直接发酵中，三酶共展示菌株MT8-1/AGEGII-AGCBHII-AGBGL的乙醇产量为2.1 g/L，高于分泌EG和CBH并展示BGL的菌株（1.6 g/L）
- EGII展示菌株细胞表面酶活为2.06 U/OD600，分泌上清中为1.92 U/L，分泌型EGII上清酶活为3.56 U/L
- CBHII展示菌株细胞表面酶活为0.58 U/OD600
- BGL展示菌株细胞表面酶活为4.02 U/OD600。
研究结论
细胞表面展示三种纤维素酶的酵母菌株比分泌表达菌株更适合于从无定形纤维素直接生产乙醇，但纤维素酶活性仍需进一步提高以实现完全降解。