理性代谢工程改造酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）：从未解毒蒸汽爆破玉米秸秆水解物高效生产乙醇的新突破

时间：2025年4月29日

来源：Bioresource Technology

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为解决木质纤维素生物乙醇生产中，酿酒酵母（S. cerevisiae）受木糖同化和抑制剂阻碍的问题，研究人员通过代谢工程和适应性实验室进化（ALE）改造菌株。结果显示改造菌株可高效利用未解毒水解物产乙醇，为大规模生产提供策略。

在当今能源领域，寻找可持续的替代能源迫在眉睫。木质纤维素来源的第二代生物乙醇，因其巨大潜力成为众多科研人员的研究焦点。然而，这条探索之路并非一帆风顺。木质纤维素结构复杂，主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，在将其转化为生物乙醇的过程中，需要进行分馏和酶水解，这就导致各种副产物随之产生，比如可溶性酚类化合物、有机酸和呋喃衍生物等。这些副产物对于生物乙醇生产的关键菌株 —— 酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）来说，不仅无法高效分解利用，反而像一道道 “紧箍咒”，严重抑制其糖代谢过程。它们能破坏酵母细胞膜的完整性，干扰细胞内各种酶促反应，影响细胞的运输系统，甚至引发细胞应激反应，使得第二代生物乙醇生产强度远低于淀粉质原料生物炼制，在工业化进程中竞争力不足。

为了突破这些阻碍，国内研究人员开展了一项意义重大的研究。他们旨在提高未解毒蒸汽爆破玉米秸秆水解物（SECSH）的生物乙醇产量，通过综合运用代谢工程和适应性实验室进化（ALE）技术，对能够同化木糖的酿酒酵母菌株进行改造。最终，研究取得了令人瞩目的成果，构建出的定制工程菌株在未解毒的 SECSH 中，无需额外补充营养物质，就能高效生产生物乙醇，产量高达 70.52 ± 0.38 g/L，产率达到 0.450 g/g 总糖。这一成果为大规模木质纤维素生物乙醇生产奠定了坚实基础，有望推动生物能源领域的重大变革。该研究成果发表在《Bioresource Technology》杂志上。

研究人员开展研究时用到的几个主要关键技术方法包括：首先构建了能同化木糖的酿酒酵母菌株，该菌株异源表达了 mXR - XDH 途径及相关基因；接着，通过适应性实验室进化（ALE）在 SECSH 提取物中对构建菌株进行筛选；最后，强化了还原型谷胱甘肽（GSH）和 NADPH 的生物合成途径。

研究结果如下：

构建木糖同化酿酒酵母菌株：研究人员以酿酒酵母 M3013 为亲本，构建并筛选出了具有优秀木糖同化特性的 YL23 菌株。在此基础上，他们进一步开展研究，期望通过多种遗传修饰和 ALE，提升菌株在高浓度抑制剂环境下利用木糖的能力和对抑制剂的耐受性。
适应性实验室进化筛选：通过 ALE 筛选出的菌株，与原始菌株相比，在 SECSH 中展现出更高的木糖利用效率和乙醇产率。这表明 ALE 技术在优化菌株性能方面发挥了积极作用，使得菌株能够更好地适应 SECSH 中的复杂环境。
强化 GSH 和 NADPH 生物合成途径：为进一步增强筛选菌株的稳健性，研究人员强化了 GSH 系统和 NADPH 生物合成系统。经过这一改造，最终从未解毒的 SECSH 中获得了 70.52 ± 0.38 g/L 的乙醇，产率达到 0.450 g/g（总糖）。这一结果充分证明，强化相关生物合成途径对提高生物乙醇产量效果显著。

研究结论表明，通过将木糖异构酶（XI）途径异源导入木糖同化菌株，构建出工程酿酒酵母。经过 ALE 筛选的菌株，在 SECSH 中的木糖利用和乙醇生产能力得到显著提升。进一步强化 GSH 系统和 NADPH 生物合成系统后，菌株在未解毒 SECSH 中的发酵性能，尤其是乙醇生产能力大幅提高。该研究不仅为解决木质纤维素生物乙醇生产中的难题提供了有效策略，还为后续大规模工业化生产提供了理论依据和实践指导。这一成果有望推动生物乙醇产业的发展，减少对传统化石燃料的依赖，助力实现能源领域的可持续发展。