酵母工厂：进化中的工程生物乙醇生产

为了创造真正可持续的生物燃料，研究人员正在研究从废弃植物干物质（如木材和稻草，即木质纤维素原料）中生产生物乙醇的方法。工业酵母（S.cerevisiae）已经被用于从富含葡萄糖的作物（如玉米和甘蔗）中生产生物乙醇，但不能有效地发酵废弃木质纤维素原料中发现的戊糖（D-木糖和L-阿拉伯糖）。植物的木质部分也能抵抗酶的降解，需要热化学预处理才能释放出可发酵的糖。这个额外的步骤有不良的副作用，生产抑制剂下游酶转化。比利时鲁汶大学的Johan Thevelein和他的同事最近发表在《生物燃料生物技术》杂志上的一项研究通过制造一种工业酵母转基因菌株来应对这些挑战。

利用进化工程策略，研究人员能够提高酵母菌将D-木糖转化为乙醇的能力。

通过插入真菌和细菌的酶基因，已经产生了能够发酵戊糖的转基因酵母菌株。然而，这些单倍体实验室菌株不能很好地转化为工业环境，在大规模分批发酵中不如二倍体商业酵母菌株健壮。

他们将含有戊糖和阿拉伯糖代谢相关基因的两个表达盒插入到乙醇红工业酵母菌株中，设计出新的代谢特性。然而，这种新菌株只能在低水平上发酵戊糖。为了改善这一特性，通过化学诱变鼓励亲本重组菌株多样化，并由此选择在D-木糖底物上存活的克隆。然后，通过与一对新的D-木糖存活克隆交配，重组亲本菌株的基因组。随后，在生物燃料生产条件下，对产生的群体进行连续培养，以进一步优化D-木糖转化率和存活率。

七代以后出现了一个优势菌株。GS1.11-26消耗D-木糖的速度比亲本菌株快8倍以上。进化工程方法的一个主要警告是，有益的突变不太可能发生。然而，作者证明，单是参与D-木糖转化的D-木糖异构酶基因XI的过度表达，不能产生与进化菌株相同的代谢优势。这表明在GS1.11-26的基因组中至少发生了一个或两个新的突变。

进化后的菌株对在发酵过程中选择的培养基环境中产生的抑制剂的存活率也有所提高，这表明连续培养过程使生物体高度适应所使用的特定发酵生态位。然而，也出现了有害的突变；进化菌株在有氧条件下的生长能力不如亲本菌株。尽管如此，总体GS1.11-26呈现出一种健壮的酵母菌株，能够从废针叶木中完全发酵D-木糖。进一步开发这种菌株可能对工业有益。