图1. 菊芋乙醇酿酒酵母菌株
(A) 菊糖代谢酿酒酵母菌株筛选; (B) 不同温度菊芋粉发酵
图2. 酿酒酵母菊糖水解酶的发现
(A) 酿酒酵母菊糖水解酶的纯化；(B) 基因敲除载体；(C) 菊糖水解酶的酶解动态
近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所微生物资源团队李福利研究员和王士安博士在酿酒酵母菊芋乙醇整合生物加工研究方面取得了一系列阶段性进展。
菊芋又名洋姜，是一种新型能源植物，其土壤适应性强、无病虫害，可以在干旱、盐碱等非耕边际土地种植。以菊芋或菊芋工业废渣为原料生产乙醇，是发展燃料乙醇的重要方向之一。菊芋中可以转化为乙醇的主要多糖成分是菊糖，通过整合生物加工工艺将菊糖酶产生、菊糖水解和乙醇发酵整合为同一过程，可以直接发酵菊芋生产燃料乙醇。
酿酒酵母是乙醇规模化生产的最佳菌种，但以往发现的酿酒酵母菌株不具有菊糖水解能力。李福利等通过酵母菌资源筛选和抗逆性评价，获得了一株温度耐受性菊糖代谢酿酒酵母菌株，该菌株在40 ºC下发酵200 g/L菊芋粉，产乙醇65.2 g/L, 乙醇得率为79.7%，这是目前报道的非工程酿酒酵母菊芋乙醇发酵的最高产量和得率。传统乙醇发酵温度为30 ºC至35 ºC，发酵温度提高5 ºC可以显著降低成本，能够在40 ºC下正常发酵体现了该菌株的优势。相关研究成果发表在Appl Microbiol Biotechnol (2012) 95:1359–1368，并获得1项中国发明授权专利(ZL201010111324.4)。
菊糖代谢酿酒酵母菌株的发现，突破了通常认为酿酒酵母不能代谢菊糖的观点。那么，酿酒酵母中哪种酶催化了菊糖的水解？应用分子生物学和遗传学方法，李福利等揭示了酿酒酵母中负责菊糖水解的关键酶是一种外切转化酶SUC2，属国际上首次发现酿酒酵母菊糖水解酶。相关研究成果在线发表在Appl Environ Microbiol (DOI:10.1128/AEM.02658-12)。
在菊糖代谢酵母菌资源筛选中，还获得了一株高效菊糖代谢酵母新种，通过蛋白纯化和基因克隆，揭示了该菌株的新菊糖酶和菊糖酶基因。与目前应用最为广泛的马克思克鲁维酵母的外切菊糖酶基因相比，新菊糖酶基因在酿酒酵母中游离表达后，转化子表现了更高的菊糖代谢能力。相关研究成果在线发表在Appl Microbiol Biotechnol (DOI 10.1007/s00253-012-4108-y)。
酿酒酵母菊糖水解酶和新菊糖酶的发现为进一步发展菊芋乙醇整合生物加工菌种提供了新思路。高聚合度的菊糖分子是酿酒酵母菊糖发酵的主要限制因素，如果在酿酒酵母中引入外源内切菊糖酶基因，借助内切酶的作用将高聚合度菊糖切割为低聚合度的寡糖，这些寡糖分子很容易被外切酶水解，从而提高菊糖的水解效率和菊芋乙醇发酵效率。基于这一设想，李福利等正在开展酿酒酵母内切菊糖酶基因的外源表达研究，为了进一步提高酿酒酵母外切菊糖酶活力，同时引入新菊糖酶基因。下一阶段的目标是实现酿酒酵母工程菌株在40 ºC且菊芋粉大于200 g/L条件下，菊芋乙醇发酵的乙醇得率从79.7%提高到90%以上，并将这一项目推进到中试阶段。（来源：中科院青岛生物能源与过程研究所）
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