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不同的环境有助于促进生物燃料生产

通过简单地改变酵母培养基的组成,Whitehead生物医学研究所和MIT的工程师能够将酵母的乙醇产量提高约80%。 /

酵母通常用于将玉米和其他植物材料转化成生物燃料,如乙醇。然而,高浓度的乙醇可能对酵母有毒,这限制了工业中使用的许多酵母菌株的生产能力。

麻省理工学院Willard Henry Dow化学工程教授Gregory Stephanopoulos说:“毒性可能是生物燃料生产成本效益最重要的问题。

现在麻省理工学院的Stephanopoulos及其同事和Whitehead生物医学研究所已经发现了一种新的方法,通过简单地改变酵母生长培养基的组成来提高酵母对乙醇的耐受性。他们报告了他们认为可能对工业生物燃料生产产生重大影响的研究结果,在今天的“科学”期刊上。

乙醇和其他醇可破坏酵母细胞膜,最终杀死细胞。麻省理工学院的研究小组发现,在酵母生长的培养基中添加钾离子和氢氧根离子可以帮助细胞补偿膜损伤。通过进行这些改变,研究人员能够将酵母的乙醇产量提高约80%。他们还表明,这种方法适用于商业酵母菌株和其他类型的醇,包括丙醇和丁醇,它们对酵母毒性更大。

Stephanopoulos说:“我们越理解为什么一个分子是有毒的,以及使这些生物体更具耐受性的方法,越多的人就会得到关于如何攻击其他更严重的毒性问题的想法。”Stephanopoulos说。科学论文。

“这项工作从压榨最后一滴乙醇中取得很长的路要走,”麻省理工学院生物学教授,怀特黑德研究所的成员Gerald Fink补充说,“这篇论文的另一位资深作者。博士后Felix Lam是该论文的主要作者,研究生Adel Ghaderi也为该研究做出了贡献。

加强细胞防御

研究小组开始寻找一个基因或一组基因,这些基因或基因可以被操纵使酵母更加耐受乙醇,但这种方法并没有取得太大的成功。然而,当研究人员开始尝试改变酵母生长的培养基时,他们发现了一些显着的结果。

通过用氯化钾增加酵母的环境,并用氢氧化钾提高pH值,研究人员能够显着提高乙醇产量。他们还发现,这些变化并不影响酵母生产乙醇的生化途径:只要酵母保持活力,酵母就继续以相同的细胞速率生产乙醇。相反,这些变化影响了它们的电化学膜梯度 - 膜内外的离子浓度的差异,这产生了细胞可以利用来控制各种分子流入和流出细胞的能量的能量。

乙醇增加了细胞膜的孔隙度,使得细胞很难保持其电化学梯度。增加细胞外钾离子浓度和pH值有助于增强梯度并延长存活时间;他们生存的时间越长,他们制造的乙醇就越多。

“通过加强这些梯度,我们正在激发酵母,使他们能够承受更苛刻的条件,并继续生产。对我们而言,令人兴奋的是,这可能会超越乙醇应用于更先进的生物燃料醇,以同样的方式破坏细胞膜,“Lam说。

研究人员发现,通过改造酵母细胞以表达更多的钾和质子泵,这些泵可以延长细胞存活期,但它们位于细胞膜并将钾和质子泵出。

工业相关性

在酵母开始他们的生产乙醇的工作之前,起始物质,通常玉米必须分解成葡萄糖。麻省理工学院新研究的一个重要特征是研究人员在非常高浓度的葡萄糖中进行了实验。虽然许多研究已经检查了在低葡萄糖水平下提高乙醇耐受性的方法,但麻省理工学院研究小组使用的浓度为每升约300克,与工业生物燃料发酵罐中的相似。

“如果你真的想要相关,你必须去这些关卡。否则,你在低乙醇水平学到的东西不可能转化为工业生产,“Stephanopoulos说。

佛罗里达大学佛罗里达州可再生化学品和燃料中心主任朗尼英格拉姆将麻省理工学院团队的发现描述为“卓越而出人意表”。

“很少有人会预料到这些结果,这表明增加跨越膜的电化学梯度可以显着提高酒精耐受性,”Ingram说。 “这一发现将直接应用于高浓度糖生产酒精的商业流程中。”

在最近的实验中,麻省理工学院的研究人员已经使用这种方法来提高乙醇生产率,甚至高于科学报告中的报告。他们还在努力使用这种方法来提高各种工业原料的乙醇产量,因为起始化合物对酵母固有毒性,现在产量很低。

该研究得到了麻省理工学院能源倡议和能源部的资助。

发表:Felix H. Lam等人,“工程学酵母中的酒精耐受性”,科学2014年10月3日:Vol。 346没有。 6205第71-75页; DOI:10.1126 / science.1257859

来源:麻省理工学院新闻Anne Trafton

图片:A.怀疑/维基共享资源