青岛能源所提出高温乙醇发酵新策略

2011-10-17 11:03 来源: 中国科学院
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嗜热厌氧菌碳源代谢的代谢与调控网络

  戊糖己糖共利用是影响纤维素乙醇等第二代生物燃料成本的关键因素之一。10月13日,PLoS Genetics在线发表了中国科学院青岛生物能源与过程研究所功能基因组团队通过戊糖己糖共利用高温发酵乙醇的最新研究成果——通过嗜热厌氧菌功能基因组学揭示了戊糖、己糖共利用机制,并提出了高温乙醇发酵的新策略。

  木质纤维素中除葡萄糖等己糖(六碳糖)外,还有大量的木糖等戊糖(五碳糖),目前大多数工业微生物只能或偏好于利用葡萄糖等己糖。青岛生物能源与过程所徐健团队与美国俄克拉荷马大学周集中团队合作,基于功能基因组与系统生物学手段重构了第一个嗜热厌氧菌碳源代谢的代谢与调控网络(如图)。该全基因组网络揭示了葡萄糖、木糖、果糖和纤维二糖的分解代谢基因分别位于不同的功能单元内,并且己糖和戊糖的转运系统都同受bglG调控,从而解释了Thermoanaerobacter等嗜热厌氧菌共利用己糖和戊糖的机制。

  研究还发现了葡萄糖与木糖功能单元之间相互配合与促进的特性:前者通过促进后者的转运和分解代谢来加速后者的利用,而后者通过维持辅酶和离子的代谢来延迟细胞裂解。基于该特性,博士生林璐、副研究员宋厚辉等发现并证实,通过调控戊糖和己糖的加入比例和时间能显著提高乙醇产量,从而提出了一种高温乙醇发酵的新策略。

  Thermoanaerobacter和Clostridia 等嗜热厌氧细菌因其高温厌氧、广谱性碳源及戊糖己糖共利用等特色,在纤维素生物燃料炼制中具重要应用前景。该研究是一个通过系统生物学思路与手段来直接指导与改进发酵工程的生动例证,为改造此类细菌的代谢与调控网络奠定了基础,并为酿酒酵母、大肠杆菌、热纤梭菌等通常不能共利用戊糖己糖的工业微生物的发酵与基因工程提供了新的策略和目标,也为设计与构建能够在高于55摄氏度高温等极端环境下运作的基因回路与功能模块提供了丰富的蓝图与思路。

  该研究得到了中科院、科技部、国家自然科学基金委的支持。

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