新的生物轉化技術讓植物纖維素搖身一變為高價值化學產品
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文章來源 : 農業科技決策資訊平台 2022-01-21
美國Illinois大學Urbana-Champaign分校的科學家團隊開發了一種以基因工程改造的酵母菌(S. cerevisiae)，這個基改酵母菌可以完全且有效地將醋酸鹽和木糖等植物物質組成，轉化為高價值的生物產品。組成植物細胞壁的木質纖維素是地球上最豐富的原料，長期以來一直被視為可再生能源的來源。木質纖維素它主要包含醋酸鹽及葡萄糖、木糖等醣類，這些成分會在分解植物的過程中釋放出來。在《Nature Communications》發表的一篇論文中，該團隊描述了他們所做的工作，內容是提供一種可行的方法，來克服阻礙木質纖維素成為商業化生質燃料的主要障礙之一-醋酸鹽對酵母菌這類發酵微生物的毒性。
食品科學及人體營養學教授Yong-Su Jin說:這是第一個證明有效且完全利用木糖和醋酸鹽生產生質燃料的方法。作為Carl R. Woese基因組生物學研究所的附屬機構，Jin與論文第一作者、當時為研究生的Liang Sun共同主導了這項研究。他們的方法充分利用了柳枝稷細胞壁中的木糖和醋酸鹽，將水解過程中不需要的副產物-醋酸鹽轉化為有用的基質，進而提高了酵母菌在水解物中轉化醣類的效率。Jin說:「我們發現可以使用被認為是有毒且無用的物質(醋酸鹽)來作為木糖的補充碳源，以節約地生產精巧的化學藥品，例如三乙酸內酯(TAL)和維生素A，它們都源自相同的前驅物-乙醯輔酶A。」目前為Wisconsin大學Madison分校的博士後學生Sun說:TAL是一種多功能化學平台(有機合成的中間物)，目前是透過石油提煉而得，用於生產塑膠和食品添加劑。
在前期工作中，當時是能源生物科學研究所的研究員、論文合著者Soo Rin Kim，將一種釀酒酵母菌Saccharomyces cerevisiae進行基因改造，使它能快速且有效地消耗木糖。Kim目前是韓國慶北大學的教師。在目前的研究中，他們使用在Illinois大學能源農場收穫的柳枝稷來製造半纖維素的水解產物。而基改酵母菌用於發酵代謝水解物中的葡萄糖、木糖和醋酸鹽。當葡萄糖和醋酸鹽一起供應時，釀酒酵母菌會迅速地將葡萄糖轉化為乙醇(酒精)，降低了細胞培養基的pH值，而此時醋酸鹽的消耗受到強烈抑制，導致培養物在低pH值情況下對酵母菌產生毒性。而當木糖與醋酸鹽一起供應時，Sun說:「這兩種碳源形成了協同作用，促進了兩種化合物的有效代謝，木糖支持細胞生長並為醋酸鹽的同化作用提供足夠的能量。因此酵母菌可以非常有效地代謝作為基質的醋酸鹽，以產生大量的TAL。與此同時，隨著醋酸鹽的代謝，培養基的pH值上升，反過來回饋促進了酵母菌對木糖的消耗。且當他們透過RNA定序分析釀酒酵母菌的基因表現時，發現木糖與葡萄糖相比，參與醋酸鹽吸收和代謝的關鍵基因表現量顯著上升。」同時給予醋酸鹽和木糖的酵母菌積累了更多的生物質，如脂質和麥角固醇的含量分別提升了48%和45%。麥角固醇是一種真菌激素，對發酵過程中的壓力適應扮演重要角色。
Sun接著說:「醋酸鹽和木糖的共同利用，還提供酵母菌一條代謝的捷徑-將醋酸鹽轉化為乙醯輔酶A，增加了乙醯輔酶A(麥角固醇和脂質的前驅物)的供應，並使TAL生產更近一步。透過木糖和醋酸鹽共同作為碳源，我們能夠顯著地提高TAL產量-和之前單純使用基改釀酒酵母菌相比，產量高了14倍。我們也採用了這種策略來生產維生素A，證明了它可能大量生產其他衍生自乙醯輔酶A的高價值生物產品，例如類固醇和類黃酮。」由於該過程充分利用了木質纖維素生物質中的碳源，因此Jin和Sun表示，這樣的做法可以直接結合到纖維酒精工廠中。Sun說:「這和我們社會的永續性有關。我們需要充分利用這些未開發的資源來建設永續的未來。希望在50年，甚至100年後，我們將主要依靠這些可再生且不虞匱乏的原料，來生產我們日常生活所需的能源和材料。這就是我們的目標。但目前而言，我們只是在做一些小事，來確保我們的目標逐漸發生。」【延伸閱讀】天然細菌將纖維素直接轉化為丁醇
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