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代谢工程与基因组重排相结合构建高浓度乙醇发酵酿酒酵母菌株

陶香林  
【摘要】:与传统中低浓度乙醇发酵工艺相比,高浓度乙醇发酵具有设备利用率高,节水节能减排,降低污染,成本低效率高等优点,是全球乙醇工业技术研究热点之一。在高浓度发酵过程中,发酵初期高的渗透压条件及发酵后期高的乙醇浓度会对发酵过程产生不利影响,使发酵延滞甚至停止。同时,在高浓度发酵过程中酵母细胞会产生更多的代谢副产物甘油,降低糖转化为乙醇的转化率,影响乙醇生产效益。因此,选育具有高抗逆性与高糖醇转化率的酿酒酵母菌株,是实现高浓度酒精发酵,提高乙醇生产经济与社会效益的重要途径。代谢工程(metabolic engineering)和基因组重排(genome shuffling)技术相结合是构建涉及复杂基因网络的抗逆高产酿酒酵母工业菌株的有效新技术途径。 本研究以酿酒酵母工业菌株Z5为出发菌株,运用代谢工程和基因组重排相结合的新技术构建选育优良的酿酒酵母重组子。首先,利用代谢工程手段,在Z5菌株中敲除了甘油-3-磷酸脱氢酶基因GPD2,使其甘油产量降低了20%(敲除GPD2的新菌株被命名为Z5△GPD2),然后再利用基因组重排技术使菌株在基因组水平产生重组,筛选获得了一株在高浓度发酵条件下(发酵初始糖浓度为280g/L)乙醇浓度达到130.52g/L,同时乙醇耐受性大大提高的酿酒酵母菌株SZ3-1。与出发菌株Z5相比,SZ3-1甘油产量降低了9%,乙醇产量提高了8%。结果表明基因组重排和代谢工程相结合的方法能够有效地改良菌株的复杂性状,成功构建适合高浓度发酵的酿酒酵母抗逆高产菌株。 进一步研究发现与菌株Z5相比,SZ3-1具有较强的乙醇耐受性是其发酵性能优于Z5的重要原因。研究酵母菌耐乙醇机制对提高发酵工业乙醇产率,探明微生物抗逆机理具有重要的意义。本文在前人工作的基础上,对酿酒酵母菌株的乙醇耐受性机制进行了深入探研。结果表明,酿酒酵母细胞膜上的长链不饱和脂肪酸C18:1含量与乙醇耐受性相关,一般C18:1含量越高的菌株,其乙醇耐受性越强。菌株细胞膜总不饱和脂肪酸及麦角固醇含量与乙醇耐受性相关性不明显。细胞内海藻糖积累较多的酵母菌株其乙醇耐受性较强。乙醇能够从分子水平诱导海藻糖代谢途径中相关基因,如TPSl、TPS2、TPS3、TSL1、 ATHl及NTHl等的表达上调,从而调控海藻糖的代谢。酿酒酵母乙醇耐受性非某单因子所调控,是众多因子共同作用的复杂性状。


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