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南国新财富源所开采最新木质三磷酸腺苷糖化高

发布时间:2019-06-14 23:38编辑:www.599588.com浏览(100)

    木质纤维素生物转化的经济性和清洁性,一直是阻碍秸秆等农林废弃物大规模利用的最大瓶颈。目前木质纤维素生物转化的主流策略是基于游离纤维素酶的同步糖化发酵工艺,但其中的核心酶技术被国外公司垄断,且用酶成本难以进一步降低,使现有工艺不具备市场竞争力。整合生物加工(consolidated bioprocessing, CBP)是近些年提出的木质纤维素转化策略,将纤维素酶的生产、木质纤维素底物酶解、最终产物发酵等环节整合到同一反应器中进行,具有简化流程、降低成本和设备要求等优势。但由于CBP策略将多个步骤在同一反应器中同时进行,需要对反应条件进行妥协平衡,难以同时获得高的产酶、酶解和发酵水平,而且最终产物单一且难以进行调整,大大限制了其应用范围。 为此,中国科学院青岛生物能源与过程研究所代谢物组学研究组另辟蹊径,提出了基于纤维小体全菌催化剂的木质纤维素整合生物糖化(Consolidated Bio-Saccharification,CBS)全新策略[Liu S, et al, 2019, 12:35]。该策略将酶的生产与水解步骤有机整合,同时将下游发酵步骤进行一定程度上的分立,以可发酵糖这一平台化合物作为目标产物,具有用酶成本低、过程简单、下游出口灵活等优势,有望在木质纤维素生物转化生产各种化学品、功能食品和药品中得到广泛应用。

    如何实现木质纤维素生物质这一低值原料的高值化利用,一直是国内外的研究热点。中国科学院青岛生物能源与过程研究所代谢物组学团队以打破国外技术垄断、突破木质纤维素糖化技术瓶颈为研究目标,长期致力于热纤梭菌等纤维素降解菌的遗传改造及代谢工程研究,利用团队前期开发的一系列基因操作工具(J Microbiol Methods, 2012, 89: 201-8.; PloS One 2013, 8:e69032; Appl Microbiol Biotechnol, 2014, 98: 313-23; Biotechnol Biofuels, 2015, 8: 36.),通过对热纤梭菌及其纤维素降解酶系——纤维小体的定向改造,构建了新型的工程菌株,可以作为全菌催化剂实现木质纤维素底物到可发酵糖的高效转化,有力促进了木质纤维素生物转化的工业化进程。相关成果已于5月12日在线发表于Biotechnology for Biofuels [Zhang J, et al, 2017, 10:124],其中,博士生张杰为该论文的第一作者,研究员崔球和副研究员刘亚君为该论文的通讯作者。

    中科院网站发布消息称,如何实现木质纤维素生物质这一低值原料的高值化利用,一直是国内外的研究热点。中国科学院青岛生物能源与过程研究所代谢物组学团队以打破国外技术垄断、突破木质纤维素糖化技术瓶颈为研究目标,长期致力于热纤梭菌等纤维素降解菌的遗传改造及代谢工程研究,利用团队前期开发的一系列基因操作工具,通过对热纤梭菌及其纤维素降解酶系——纤维小体的定向改造,构建了新型的工程菌株,可以作为全菌催化剂实现木质纤维素底物到可发酵糖的高效转化,有力促进了木质纤维素生物转化的工业化进程。 木质纤维素基生物质以其储量及可再生性备受关注,但农林废弃物的不合理处置,会极大增加环境压力,引起包括水体污染、焚烧雾霾等严重的环境污染问题。因此,非粮木质纤维素的高效利用是亟待解决的全球性问题,对实现经济的可持续发展具有重要的战略意义。然而,木质纤维素生物质的工业化、规模化和商业化应用仍未真正展开,其主要原因在于尚未突破木质纤维素高效、低成本转化为可发酵糖的这一瓶颈步骤。 纤维小体是目前已知自然界中*高效的纤维素降解分子机器之一,作为典型的产纤维小体菌株,热纤梭菌(Clostridium thermocellum)具有天然高效降解纤维素底物的特性,因此被认为是*有前景的可以通过整合生物加工技术的策略实现木质纤维素基高效生物催化转化的菌株。然而,已有的野生菌株及其纤维小体存在底物水解活力受酶催化产物的反馈抑制等不足之处,不能适应工业化的要求。 针对这一研究现状,代谢物组学团队对热纤梭菌及其纤维小体进行有针对的定向改造,通过建立无疤基因组编辑系统,将源于极端嗜热菌的β-葡萄糖苷酶CaBglA与关键纤维小体酶Cel48S进行融合表达并组装到胞外纤维小体上。利用该重组菌株作为全菌催化剂进行糖化反应发现,以100 g/L微晶纤维素为底物时,其还原糖产量达489 mM(以葡萄糖分子量换算为约88 g/L)。该菌高效降解纤维素及生产可发酵糖的能力初步证明了木质纤维素的全菌催化糖化策略在工业化应用中的可行性。该研究拓展了木质纤维素糖化的新视野,有力推动了工业发酵领域中纤维素糖作为碳源对淀粉糖的替代。

    纤维小体是热纤梭菌(Clostridium thermocellum)等厌氧微生物分泌的一种可以高效降解木质纤维素的超分子复合体,是已知的自然界中最高效的木质纤维素降解体系之一。代谢物组学研究组长期致力于热纤梭菌等纤维素降解菌及其纤维小体的遗传改造、作用机制及代谢工程研究,利用研究组自主研发的遗传操作硬件设备和软件工具,对热纤梭菌的生理生化、纤维小体的组装、合成调控与产物抑制、产物摄取与代谢等进行了系统的研究,对热纤梭菌及其纤维小体的功能机制与调控取得了深入的认识。在此基础上,该研究组于2017年首先成功开发了基于纤维小体的全菌催化剂,实现木质纤维素底物到可发酵糖的高效转化[Zhang J, et al, 2017, 10:124],初步建立了CBS工艺的雏形,但仍存在产物抑制未能充分解除、关键酶产量下降、糖化速度较慢等问题。

    木质纤维素基生物质以其储量及可再生性备受关注,但农林废弃物的不合理处置,会极大增加环境压力,引起包括水体污染、焚烧雾霾等严重的环境污染问题。因此,非粮木质纤维素的高效利用是亟待解决的全球性问题,对实现经济的可持续发展具有重要的战略意义。然而,木质纤维素生物质的工业化、规模化和商业化应用仍未真正展开,其主要原因在于尚未突破木质纤维素高效、低成本转化为可发酵糖的这一瓶颈步骤。

    针对这些问题,该研究组通过对纤维小体的重新原位改造优化,构建了第二代全菌生物催化剂,并对培养基成分、接种量、种子培养,以及底物载量等影响过程效率的关键因素进行了优化,显著提高了糖化效率,缩短了糖化时间。在最佳条件下,用预处理的小麦秸秆作为底物,整个糖化工艺时间缩短了50%,糖产量达到0.795克/克,糖得率为89.3%。该工艺结合本实验室开发的与之匹配的木质纤维素预处理工艺,大大降低了木质纤维素糖化的成本,已经具备了工业化应用的可能。

    纤维小体是目前已知自然界中最高效的纤维素降解分子机器之一,作为典型的产纤维小体菌株,热纤梭菌(Clostridium thermocellum)具有天然高效降解纤维素底物的特性,因此被认为是最有前景的可以通过整合生物加工技术的策略实现木质纤维素基高效生物催化转化的菌株。然而,已有的野生菌株及其纤维小体存在底物水解活力受酶催化产物的反馈抑制等不足之处,不能适应工业化的要求。

    这项工作为CBS的实现提供了一种新的全菌生物催化剂和与之匹配的优化工艺,证实CBS是一种可行的木质纤维素低成本高效利用策略。代谢物组学研究组在2月18日在线发表于Biotechnology for Biofuels 的研究论文中报告了该工艺策略,并正式提出“整合生物糖化”的概念。代谢物组学研究组目前正在将该CBS工艺进行中试放大,建立基于该工艺的工业示范系统,有望极大地促进木质纤维素生物转化的工业化进程。

    针对这一研究现状,代谢物组学团队对热纤梭菌及其纤维小体进行有针对的定向改造,通过建立无疤基因组编辑系统,将源于极端嗜热菌的β-葡萄糖苷酶CaBglA与关键纤维小体酶Cel48S进行融合表达并组装到胞外纤维小体上。利用该重组菌株作为全菌催化剂进行糖化反应发现,以100 g/L微晶纤维素为底物时,其还原糖产量达489 mM(以葡萄糖分子量换算为约88 g/L)。该菌高效降解纤维素及生产可发酵糖的能力初步证明了木质纤维素的全菌催化糖化策略在工业化应用中的可行性。该研究拓展了木质纤维素糖化的新视野,有力推动了工业发酵领域中纤维素糖作为碳源对淀粉糖的替代。

    该研究组博士生刘世岳和副研究员刘亚君为该论文的共同一作,研究员崔球为该论文的通讯作者。该工作得到中科院战略性先导专项、国家自然科学基金委、山东省自然科学基金委的资助。

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    图1. 热纤梭菌重组菌株DSM1313::CaBglA的构建及验证

    在优化或常规条件下预处理麦秆的糖化分析。100-mL厌氧瓶;10-L厌氧发酵罐

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    图2. 糖化过程中,热纤梭菌重组菌株DSM1313::CaBglA还原糖生产水平及pH变化分析

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