研究：新生物過程能有效地將植物材料轉(zhuǎn)化為生物燃料和有價值的化學品

　　據(jù)外媒報道，來自伊利諾伊大學香檳分校的一組科學家開發(fā)了一種利用工程酵母的生物過程，它完全有效地將由醋酸和木糖組成的植物物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高價值的生物產(chǎn)品。木質(zhì)纖維素是地球上最豐富的原料，長期以來被視為可再生能源的一種來源。

　　木質(zhì)纖維素是植物細胞的結(jié)構(gòu)來源。它主要含有醋酸鹽、糖、葡萄糖和木糖，這些都是在分解過程中釋放出來的。

　　日前，伊利諾伊大學香檳分校的研究人員在《Nature Communications》上發(fā)表的論文中描述了他們的工作。據(jù)悉，他們?yōu)榭朔举|(zhì)纖維素生物燃料商業(yè)化的主要障礙之一--醋酸對酵母等發(fā)酵微生物的毒性--提供了一種可行的方法。

　　食品科學和人類營養(yǎng)學教授Jin Yong-Su表示：“這是第一次證明木糖和醋酸在生產(chǎn)生物燃料方面的有效和完全利用的方法?！弊鳛镃arl R. Woese基因組生物學研究所的附屬機構(gòu)，Jin和當時還在讀研究生、論文第一作者Liang Sun共同領(lǐng)導了這項研究。

　　他們的方法充分利用了柳枝稷細胞壁中的木糖和醋酸鹽并將醋酸鹽從一種不需要的副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為一種有價值的底物，從而提高了酵母在轉(zhuǎn)化水解產(chǎn)物中的糖的效率。

　　“我們發(fā)現(xiàn)，我們可以利用這種被認為是有毒的、無用的物質(zhì)作為木糖的補充碳源，從而能夠經(jīng)濟地生產(chǎn)精細化學品”，Jin說道。據(jù)悉，像三乙酸內(nèi)酯(TAL)和維生素A都屬于Jin提到的精細化學品，它們來自相同的前體分子--乙酰輔酶A。

　　目前在威斯康星大學麥迪遜分校做博士后的Sun表示，TAL是一種多功能平臺化學品，目前可通過提煉石油獲得被用到生產(chǎn)塑料和食品配料領(lǐng)域。

　　在早期的工作中，當時在能源生物科學研究所(Energy Biosciences Institute)擔任研究員的合著者Soo Rin Kim設(shè)計了一種酵母--釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)以快速有效地消耗木糖。Kim目前在韓國慶北大學擔任教員。

　　在目前的研究中，他們使用在U. of I. Energy Farm收獲到的柳枝稷來制造半纖維素水解物。研究人員利用工程酵母細胞發(fā)酵水楊酸鹽中的葡萄糖、木糖和乙酸酯。

　　當葡萄糖和醋酸同時提供時，釀酒酵母能迅速將葡萄糖轉(zhuǎn)化為乙醇并降低了細胞培養(yǎng)物的pH水平。然而，乙酸的消耗被強烈抑制，這導致培養(yǎng)物在低pH條件下對酵母細胞有毒。

　　當為木糖提供醋酸鹽時，“這兩種碳源形成了協(xié)同作用從而促進了兩種化合物的高效代謝，”Sun疏導，“木糖支持細胞生長并為醋酸同化提供足夠的能量。因此，酵母可以非常有效地代謝乙酸作為底物進而產(chǎn)生大量TAL?！?/p>

　　Sun指出，與此同時，培養(yǎng)基的pH值隨著醋酸鹽的代謝而增加，這反過來會促進酵母對木糖的消耗。

　　此外，他還表示，當他們通過RNA測序分析釀酒酵母的基因表達時，他們發(fā)現(xiàn)跟醋酸吸收和代謝有關(guān)的關(guān)鍵基因被木糖顯著上調(diào)。

　　同時喂食醋酸和木糖的酵母細胞積累了更大的生物量，它們的脂質(zhì)和麥角甾醇水平分別增加了48%和45%。麥角甾醇是一種真菌激素，在發(fā)酵過程的逆境適應(yīng)中起著重要的作用。

　　Sun稱，醋酸和木糖的共同利用還增加了酵母的乙酰輔酶A（麥角甾醇和脂類的前體分子）的供應(yīng)并提供了一個代謝捷徑--將醋酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A并使TAL的生產(chǎn)更近一步。

　　“通過共同利用木糖和醋酸鹽作為碳源，我們能夠顯著提高TAL的產(chǎn)量--比之前報道的使用工程釀酒酵母的產(chǎn)量高出14倍。我們在維生素A的生產(chǎn)中也采用了這種策略，其證明了它有可能過度生產(chǎn)其他從乙酰輔酶A中提取的高價值生物產(chǎn)品如類固醇和類黃酮，”Sun說道。

　　此外，Jin和Sun還指出，由于這個過程完全利用了木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中的碳源，所以它可以無縫地集成到纖維素生物煉制中。

　　“這關(guān)系到我們社會的可持續(xù)發(fā)展。我們需要充分利用這些未開發(fā)的資源來建設(shè)一個可持續(xù)的未來。我們希望在50年或100年后，我們將主要依靠這些可再生的、豐富的原料來生產(chǎn)我們?nèi)粘Ｉ钏璧哪茉春筒牧?。這是我們的目標。但就目前而言，我們只是在做一些小事情以確保這一點能夠慢慢地發(fā)生，”Sun說道。