美国开发出可同时消化两种植物糖分的工程化菌株

　　

      美国伊利诺伊大学、Lawrence  Berkeley国家实验室、加州大学和BP公司于2011年2月宣布，联合开发出一种新的工程化菌株，可以同时消化两种植物糖分，包括容易发酵的葡萄糖（六碳糖）和难于利用的木糖（五碳糖）。通过优化组合得到新菌株可以减少甚至消除目前生物燃料生产过程中的主要不利因素。上述研究发表在《Proceedings  of  the  National  Academy  of  Sciences》杂志上。

 

        酵母以糖类为食并生成多种产物，其中某些产物是对人类有用的。酵母菌Saccharomyces  cerevisiae用于制做面包和酿酒已有好几个世纪，它可以高效发酵糖类并产生乙醇和CO2。生物燃料产业正是使用这类酵母将植物糖类转化为生物乙醇；尽管S.  cerevisiae可以高效利用葡萄糖（纤维素骨架之一和植物体内的主要糖类），但其无法利用木糖（木质纤维素的次要构成单元，木质纤维素构成植物的茎和叶）。用于处理木糖的大部分工程酵母菌株处理效率都很低。木糖是一种五碳糖，在木质纤维素中含量非常丰富，但在食物中不含木糖，大部分酵母菌不能发酵木糖。

 

        目前改造酵母菌处理木糖的最大问题是，酵母会优先消耗葡萄糖，直到葡萄糖耗尽才开始发酵木糖；酵母代谢木糖的速度过慢，使得生物燃料生产成本大幅上升。

研究人员力图实现协同发酵过程，诱导酵母同时高效和快速的处理葡萄糖和木糖两种糖类。经过对原始酵母菌株的改性，得到的新菌株可以比当前工业界采用的菌株更高效地分解这两种糖类。新菌株可以同时把纤维二糖（葡萄糖前身物）和木糖转化为乙醇，其分别的转化速率和单独分解任一糖类一样，即可以在单位时间内同时分解纤维二糖和木糖，相当于发酵的糖量上升，生产的乙醇量也相应增大。新菌株分解木糖的速率比以往酵母菌株至少提高了20%。

 

        研究团队通过对酵母进行以下改性来实现协同发酵过程，首先给酵母细胞表面添加了纤维二糖转运器。纤维二糖作为植物细胞壁的主要成分，由两个葡萄糖缩合而成。通常，纤维二糖在酵母体外被分解为葡萄糖，再通过葡萄糖转运器送至细胞内，最后转化为乙醇。纤维二糖转运器直接将纤维二糖送至工程酵母体内，纤维二糖在细胞内分解为葡萄糖。这个措施可以减少向纤维素混合物中加入昂贵的纤维二糖降解酶的步骤。同时这一改性措施还可以规避酵母对葡萄糖的偏好问题，因为葡萄糖以纤维二糖的形式进入酵母细胞内，酵母细胞的葡萄糖转运器可以将更多的木糖运送至细胞内。

 

        团队还解决了木糖的代谢难题，他们将Picchia  stipitis（一种木糖分解酵母）的3组基因插入S.  cerevisiae酵母的DNA；在确认木糖代谢过程的瓶颈后，研究者调整了各种酶的合成量，极大地提高了木糖的代谢速率；他们也涉及了一种同功酶，使得木糖代谢副产物木糖醇的积累得到消除；最后团队使用定向进化技术优化了新菌株处理木糖的能力。这种新菌株使得两种糖类的发酵可以在统一发酵罐内进行，产率比工业标准更高，据称，这项研究将很快推向工业化应用。