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Discovery可保護(hù)酵母免受生物燃料生產(chǎn)的損害

2018-08-17 10:15  瀏覽:  

用于加速生產(chǎn)乙醇等生物燃料的植物分解的一些化學(xué)物質(zhì)對(duì)酵母產(chǎn)生毒害,使植物糖轉(zhuǎn)化為燃料。

來(lái)自威斯康星大學(xué)麥迪遜分校和美國(guó)能源部幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)確定了一個(gè)基因的兩個(gè)變化,這個(gè)變化可以使酵母耐受預(yù)處理化學(xué)品。他們最近在遺傳學(xué)雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。即使在最前沿的工廠中,將植物材料如草或剩余的玉米稈轉(zhuǎn)化為生物燃料也常常模仿自然將植物養(yǎng)分返回土壤,空氣和水的方式。無(wú)論如何,植物細(xì)胞在物理上,化學(xué)上和微生物中分解,幾乎就像它會(huì)自然分解一樣。

“但是,分解植物材料的過(guò)程非常緩慢。一棵倒下的樹(shù)完全腐爛需要數(shù)年時(shí)間,“位于威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的Great Lakes生物能源研究中心的資深科學(xué)家,酵母研究的首席研究員Trey Sato說(shuō)。“這段時(shí)間與工業(yè)環(huán)境不相容,其目標(biāo)是盡可能快地生產(chǎn)出更多的產(chǎn)品,以便將其推向市場(chǎng)銷(xiāo)售。”

因此,生物燃料制造商通過(guò)預(yù)處理原料來(lái)加速這一過(guò)程。植物生物量。預(yù)處理可包括施加氨氣,酸,熱和壓力,稱(chēng)為離子液體的鹽,或這些和其他方案的某種組合。

預(yù)處理后,構(gòu)成植物細(xì)胞壁和纖維的纖維素被酶分解以釋放糖。糖通過(guò)微生物發(fā)酵成燃料 - 通常是經(jīng)過(guò)精心培育和釀造的釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的工程版本,也用于發(fā)酵葡萄酒,啤酒和酵母面包。

“這些離子液體可用于預(yù)處理和開(kāi)始加工,”佐藤說(shuō)。“問(wèn)題在于,即使您在進(jìn)行發(fā)酵之前麻煩地從生物質(zhì)中去除和回收盡可能多的離子液體,您無(wú)法獲得的量足以對(duì)大量毒性產(chǎn)生影響。微生物。“

這種毒性足以使酵母將糖轉(zhuǎn)化為生物燃料的效率降低70%,這對(duì)工業(yè)過(guò)程來(lái)說(shuō)是一種嚴(yán)重的損失。

佐藤和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校,聯(lián)合生物能源研究所和勞倫斯利弗莫爾,勞倫斯伯克利和桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的合作者一直在尋找克服這一障礙的方法。

“大自然可能是最好的工程師。它開(kāi)發(fā)和優(yōu)化生物系統(tǒng)已有數(shù)百萬(wàn)年的發(fā)展歷史,“佐藤說(shuō)。“因此,一種解決方案可能是找出酵母的替代品,酵母是一種不同的微生物,它可以發(fā)酵纖維素糖,也可以吸收離子液體。”

但許多生物燃料公司和工程師投入了大量的時(shí)間和資源。調(diào)整自己的酵母和圍繞他們喜歡的菌株建立生物燃料反應(yīng)器。一種不同的發(fā)酵生物可能會(huì)將它們放回原處。

因此,研究人員研究了從不同生態(tài)位中分離出的各種釀酒酵母菌株。在他們調(diào)查的136種酵母分離物中,他們發(fā)現(xiàn)了一種對(duì)離子液體具有突出耐受性的菌株。他們篩選了該菌株的DNA序列,并鑒定了一對(duì)基因,這些基因是生存其他毒性預(yù)處理化學(xué)品的關(guān)鍵。其中一個(gè)基因叫做SGE1,它產(chǎn)生的蛋白質(zhì)沉淀在酵母細(xì)胞膜中,起到泵去除毒素的作用。

“如果你在細(xì)胞表面有更多的這些泵,你可以從你的細(xì)胞中獲得更多的離子液體分子,”佐藤說(shuō)。

組成酵母基因組的超過(guò)1,200萬(wàn)個(gè)核苷酸中僅有兩個(gè)單個(gè)核苷酸的變化足以增加這些細(xì)胞泵的產(chǎn)量并保護(hù)酵母免受離子液體的影響。研究人員使用基因編輯工具CRISPR來(lái)改變離子液體敏感酵母的菌株,引入兩個(gè)單核苷酸變化并成功生產(chǎn)出能夠存活并發(fā)酵的酵母,以及通常有毒的離子液體量。

“現(xiàn)在,任何使用這種酵母的人都可以查看自己菌株中的特定基因,并判斷它是否與離子液體過(guò)程相容且有用,”佐藤說(shuō)。“這是一個(gè)簡(jiǎn)單的工程程序,不需要很長(zhǎng)時(shí)間,也不貴。它可以在一到兩周的時(shí)間內(nèi)與CRISPR固定。“

Sato說(shuō),下一步是在實(shí)驗(yàn)室外試用改良的酵母,結(jié)合用作生物燃料原料的真實(shí)植物材料。

該研究的合作者包括聯(lián)合生物能源研究所的Michael Thelen和UW-Madison遺傳學(xué)教授Audrey Gasch和Chris Hittinger以及生物化學(xué)和細(xì)菌學(xué)教授Robert Landick。

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