本期為您推薦廣西科技大學生物與化學工程學院牛福星副教授課題組發(fā)表在Microbial Cell Factories上面的文章：Key role of K+ and Ca2+ in high-yield ethanol production by S. Cerevisiae from concentrated sugarcane molasses。本研究利用常壓室溫等離子體進行誘變，篩選出對不同脅迫因素（高滲透壓、高醇、高溫、高鹽離子以及高濃度甘蔗糖蜜）分別具有魯棒性能的釀酒酵母菌株。其中由此所選育的對高濃度甘蔗糖蜜具有魯棒性能的釀酒酵母乙醇合成產量達到目前物理誘變高水平（111.65 g/L，糖醇轉化率達到95.53%）。最后結合酵母的細胞形態(tài)、發(fā)酵產能以及組學分析，揭示了限制釀酒酵母無法實現高濃度甘蔗糖蜜高濃度乙醇發(fā)酵的主要限制性因素是K+和Ca2+同時存在的影響。
生物基乙醇的合成原料有很多，從環(huán)保、經濟、富民的角度研發(fā)是重點。我國是人口大國，每年由于食品添加、工業(yè)應用等所消耗的糖量位居世界前列。甘蔗是糖分提煉的主要原材料之一，在提料糖分的同時會產生糖蜜，而且早期研究數據表明產3噸糖的同時可產約1噸糖蜜。糖蜜是一種混合物，成分復雜，直接排放或者用于田間施肥是為浪費且會造成環(huán)境污染，而且是為資源利用的不充分。但是利用糖蜜（非糧食）生物資源進行釀酒酵母的乙醇合成，卻可以在不斷滿足人們對乙醇用量需求的同時，助推國家綠色低碳能源發(fā)展。釀酒酵母利用糖蜜進行乙醇發(fā)酵的工藝已經比較成熟，但是在利用高濃度的糖蜜來生產高濃度的乙醇效率方面卻是一個挑戰(zhàn)，究其原因便是各種脅迫性因素的影響。但是從科學研究的角度確切的闡述哪種才是限制性的關鍵影響因素早期還未有研究報道。
研究人員借助ARTP（室溫等離子體）誘變、適應性進化以及高通量的基于三苯基-2H-四唑氯化銨（TTC）及前體物丙酮酸（或丙酮酸自由基離子）與Fe3+發(fā)生絡合反應呈現黃色的雙重高通量篩選方法（Py-Fe3+）獲取了分別對高濃度甘蔗糖蜜（總糖濃度達到300 g/L）以及蔗糖添加模型下的高溫（37℃）、高醇（10%）、高滲透壓（400 g/L可發(fā)酵總糖）以及高濃度K+(15 g/L)、Ca2+(8 g/L)、K+&Ca2+(15 g/L &8 g/L)發(fā)酵環(huán)境下的七株魯棒型釀酒酵母菌株（圖1、表1）。通過各自魯棒型菌株在高濃度甘蔗糖蜜環(huán)境下細胞形態(tài)比較（圖2），乙醇合成的產率以及細胞數量（圖3、圖4）、魯棒型菌株比較基因組學、比較轉錄組學GO、KEGG分析研究，得出K+、Ca2+同時存在才是限制釀酒酵母高濃度甘蔗糖蜜乙醇發(fā)酵的主要因素。
圖1 實驗流程
表1 在相同發(fā)酵條件下與野生型J108相比產量差距
圖2 在250 g/L糖蜜發(fā)酵不同菌株的細胞形態(tài)
A:NGCa2+-F1; B:NGK+-F1; C:NGK+&Ca2+-F1; D:NGTM-F1
圖3 不同菌株的乙醇合成率及細胞數
圖4.在5L發(fā)酵罐體系中利用250 g/L甘蔗糖蜜發(fā)酵， 菌株NGTM-F1的乙醇產量達到111.65 g/L
總結：甘蔗糖蜜對細胞的影響不僅僅局限于高濃度發(fā)酵，在低濃度情況下同樣會對細胞的生長造成一定影響。該項目的研究是為初次從科學研究的角度準確闡述了限制釀酒酵母無法實現高濃度甘蔗糖蜜高濃度乙醇發(fā)酵的主要限制因素，其結果對于以甘蔗糖蜜作為底物的生物合成具有重要指導作用。
文章鏈接：https://doi.org/10.1186/s12934-024-02401-5
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