酵母工厂：通过进化来设计生物乙醇的生产

这篇文章最初发表在BioMed Central的杂志Biome上。

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的植物干物质(如木头和稻草)中生产生物乙醇的方法，这些物质被称为木质纤维素原料。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，但在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)时效率不高。植物的木质部分也具有抗酶降解性，需要热化学预处理来释放可发酵糖。这一额外步骤的副作用是产生抑制下游酶转化的抑制剂。比利时鲁汶大学的Johan Thevelein和他的同事们最近在《生物燃料生物技术》杂志上发表了一项研究，他们通过培育一种工业酵母的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，已经培育出转基因酵母菌株来发酵戊糖。然而，这些单倍体实验室菌株不能很好地转化为工业环境，在大规模批量发酵中不如二倍体商业酵母菌株那么健壮。

Thevelain和他的同事们通过插入两个含有戊糖和阿拉伯糖代谢相关基因的表达盒，在乙醇红色工业酵母株中设计了新的代谢特性。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，我们鼓励亲本重组菌株通过化学诱变来实现多样性，并选择在d -木糖基质上存活的克隆。然后，将亲本菌株的基因组与一对新选择的存活下来的d -木糖克隆配对重组。由此产生的种群，现在富集为理想的突变，然后进行序列培养，以进一步优化d -木糖的转化和生存，在生物燃料生产条件下。

7代之后，一个优势菌株出现了。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重要警告是，有益的突变不太可能发生。然而，作者证明，仅过表达参与d -木糖转化的d -木糖异构酶转基因XI不能产生与进化菌株相同的代谢优势。这表明GS1.11-26基因组中至少发生了一到两种新的突变。

进化出的菌株在发酵过程中对所选择培养基的环境中产生的抑制剂也表现出了更高的存活率，这表明连续培养过程使微生物高度适应所使用的特定发酵生态位。然而，有害的突变也出现了;进化的菌株在有氧条件下的生长能力比亲本菌株差。尽管如此，总体GS1.11-26呈现出一个强大的酵母菌株，能够从废软木中完全发酵d -木糖。这种菌株的进一步发展可能对工业有益。