多重抗逆防御系统提高酿酒酵母乙醇生产能力

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北京理工大学化学与化工学院生化工程系/合成生物系统研究所李春课题组以工业酿酒酵母菌株为研究对象，利用代谢工程、合成生物学及高通量筛选等技术，从分子层面构建多重抗逆防御系统并开展其与宿主细胞的适配性研究，对获得的高性能多重抗逆工业酵母进行工业中试试验，为构建多重抗胁迫工业微生物底盘细胞提供了新思路和新方法。该研究成果以 《Multilevel Defense System (MDS) Relieves Multiple Stresses for Economically Boosting Ethanol Production of Industrial Saccharomyces cerevisiae》为题在线发表在能源类顶级国际期刊《ACS Energy letters》（《美国化学会－能源快报》，影响因子16.331）上。本文的通讯作者为李春教授，共同第一作者为北京理工大学化学与化工学院博士生许可和博士后秦磊。

酿酒酵母

　　现今社会石油资源的匮乏及在石油炼制大背景下日益凸显的环境问题，促使人类对新能源的开发迫在眉睫。燃料乙醇是目前全球最主要的液体可再生燃料，酿酒酵母是当前生产燃料乙醇的核心菌株。工业发酵环境的动态扰动严重影响燃料乙醇生产过程的经济性和绿色指数，其中，高糖醪、高温、高浓度乙醇等胁迫导致酵母生产性能下降。以工程化思维、借助合成生物学技术手段可以有效改善酵母菌株的抗胁迫性能，提高其在不良环境条件下的生存能力。但目前该领域研究尚处于初始阶段，局限于实验室酵母菌株改造，未见多重抗胁迫工业酵母应用于燃料乙醇发酵生产的报导。
　　本文通过对胁迫过程的组学数据分析，建立工业酵母的胁迫信号级联传导模型；据此，挖掘不同来源的抗胁迫基因元件，运用合成生物技术构建多重抗胁迫防御系统，将该系统整合到工业酿酒酵母基因组，再采用ARTP进化与高通量筛选结合的方法，得到了在工业液化醪中高产乙醇的菌株。对菌株进行细胞损伤、基因组和转录组的检测分析发现，工程菌株在发酵后期的凋亡率及胞内活性氧水平都远低于出发菌株，体现了多重抗胁迫防御系统的作用。
　　在中粮生化能源有限公司进行中试发酵实验结果可以看出，工程菌的乙醇产量分别比对照提高7.09%，残糖量仅为对照的34.9%，工程菌株在乙醇产率、糖醇转化率、耐高温、耐高浓度乙醇方面均优于现有工业菌株，37℃高温发酵产乙醇各项指标达到甚至优于现有菌株32℃发酵结果。企业现有规模仅乙醇年增产值1200多万元，同时过程降耗节能300万元。降低液化醪残糖后，对后期DDGS的生产也有很大帮助。
　　该工作有效提高了生物乙醇的生产效率、降低了发酵能耗和生产成本，实现了微生物制造体系的高效性，在建立新方法、获得新菌株的同时，积极推动其成果应用，有效提升生物燃料企业技术水平和经济效益。
　　论文详情：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.9b02681
       文章来源：北京理工大学
       李春，北京理工大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，化学与化工学院副院长，生化工程系主任/合成生物系统研究所所长。2004年入选教育部“新世纪优秀人才计划”，2005年获“霍英东青年基金奖”，2006年享受国务院政府特殊津贴，2017年获得“侯德榜化工科技创新奖”，2017年遴选为全国“生物工程学”首席科学传播专家。在Nature Communications、AIChE Journal、Metabolic Engineering、ACS Synthetic Biology、Journal of Biological Chemistry、Applied and Environmental Microbiology等刊物发表文章245篇。获授权专利26项，获省部级科技成果奖4项。编著中英文教材和著作9部章，其中主编《生物工程与技术导论》获中国石化联合会出版物优秀教材一等奖。现担任中国生物工程学会工业与环境生物技术专委会副主任、中国化工学会生物化工专委会副主任；《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》副主编、《Synthetic and Systems Biotechnology》、《化工进展》、《过程工程学报》、《生物加工过程》等期刊编委。研究方向：天然产物的微生物合成与转化、工业微生物的抗逆重编程与应用、微生物菌剂工程等。