釀酒酵母循環(huán)利用二氧化碳高效合成生物乙醇的研究.pdf

1、全球氣候變暖是人類社會面臨的一大挑戰(zhàn)，為解決化石燃料的過度依賴并緩解溫室氣體釋放，可再生替代能源的研發(fā)亟待進行。利用微生物轉(zhuǎn)化生物質(zhì)合成液體燃料是減少溫室氣體排放和降低化石燃料依賴的一種有效策略。然而，傳統(tǒng)發(fā)酵過程以谷物和甘蔗等農(nóng)作物為原料，將引起“糧食與燃料”之間的矛盾;以木質(zhì)纖維素為原料合成生物乙醇可以有效緩解CO2釋放，但無法直接減少大氣中CO2的含量;光合自養(yǎng)微生物雖然可以直接利用大氣中的CO2，但其目標(biāo)燃料或高附加值化工產(chǎn)品的

2、產(chǎn)量尚無法達到產(chǎn)業(yè)化要求。因此，若將異養(yǎng)工程菌高效發(fā)酵木質(zhì)纖維素合成生物燃料的特性與自養(yǎng)微生物直接利用CO2的優(yōu)勢進行結(jié)合，同步實現(xiàn)生物乙醇的高效合成與CO2的循環(huán)利用，將“碳中性”過程轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2減量的生物過程，將更有效的調(diào)控和減少CO2的排放。
　　基于此，本研究在釀酒酵母Saccharomyc es cerevisiae工程菌中構(gòu)建了以大腸桿菌Escherichia coli GroE為基礎(chǔ)的外源基因表達平臺，有效實現(xiàn)了原核

3、蛋白在真核體系中的翻譯后修飾，并在此基礎(chǔ)上將卡爾文循環(huán)(Calvin Cycle)中磷酸核酮糖激酶(Phosphoribulokinase，PRK)和核酮糖-1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Ribulose-1,5-Bisphosphate Carboxylase/Oxygenase,RuBisCO）引入S.cerevisiae,構(gòu)建外源還原型戊糖代謝途徑，循環(huán)利用部分乙醇發(fā)酵過程中釋放的CO2，提高乙醇產(chǎn)量。本研究的主要內(nèi)容和結(jié)論

4、如下:
　　(1)研究通過共表達E.coli的HSP60分子伴侶體系GroE，首次實現(xiàn)了E.coli木糖異構(gòu)酶、阿拉伯糖異構(gòu)酶以及Agrobacterium tumefaciens阿洛酮糖差向異構(gòu)酶在S.cerevisiae中的有效表達，證明HSP60分子伴侶體系在真核與原核細胞之間的差異是導(dǎo)致部分細菌蛋白無法在酵母中有效表達的原因。由于GroE體系基于分子間的疏水效應(yīng)，且與HSP70和HSP90等分子伴侶體系的相互作用較少。因此

5、，共表達E.coli GroE伴侶蛋白體系可以作為一種廣適性的翻譯后修飾工具，協(xié)助細菌外源蛋白在酵母中達到其功能構(gòu)型，從而實現(xiàn)其有效表達。
　　(2)在E.coli GroE平臺的基礎(chǔ)上，在S.cerevisiae工程菌中成功表達了Rhodospirillum rubrum RuBisCO，并通過增加RuBisCO編碼基因cbbM的拷貝數(shù)提高了其活性。結(jié)果表明，RuBisCO和PRK的共表達可以成功構(gòu)建還原型戊糖代謝通路，實現(xiàn)發(fā)酵

6、過程中CO2的循環(huán)利用，提高木糖發(fā)酵效率和乙醇產(chǎn)量。同時，還原型戊糖代謝通路的建立可以使CO2可以作為電子受體，緩解XR(Xylosereductase)/XDH(Xylulose dehydrogenase)代謝路徑在發(fā)酵木糖時氧化還原反應(yīng)的失衡，減少副產(chǎn)物甘油和木糖醇的產(chǎn)生。
　　(3)研究發(fā)現(xiàn)CO2對S.cerevisiae工程菌發(fā)酵合成乙醇具有明顯影響。通過CO2吹掃增加初始CO2濃度可以有效提高乙醇產(chǎn)量并減少副產(chǎn)物的積累