科学家们发现如何保护酵母免受生物燃料生产的损害

一些用于加速生产乙醇等生物燃料的植物分解的化学物质对酵母有害，这些酵母将植物糖转化为燃料。

威斯康星大学麦迪逊分校和几个能源部实验室的研究人员已经确定了一个基因的两个变化，可以使酵母耐受预处理化学品。他们最近在遗传学杂志上发表了他们的发现。

即使在最前沿的工厂，将植物材料如草或剩余的玉米秆转化为生物燃料也常常模仿自然将植物养分返回土壤，空气和水的方式。无论如何，植物细胞在物理上，化学上和微生物中分解，几乎就像它会自然分解一样。

“但是分解植物材料的过程非常缓慢。倒下的树完全分解需要数年时间，”威斯康星大学麦迪逊分校的Great Lakes生物能源研究中心的高级科学家，酵母的首席研究员Trey Sato说。研究。“这段时间与工业环境不相容，工业环境的目标是尽可能快地生产尽可能多的产品，以便将其推向市场销售。”

因此，生物燃料制造商通过预处理原始植物生物质来加速该过程。预处理可包括施加氨气，酸，热和压力，称为离子液体的盐，或这些和其他方案的某种组合。

预处理后，构成植物细胞壁和纤维的纤维素被酶分解以释放糖。糖通过微生物发酵成燃料 - 通常是经过精心培育和酿造的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的工程版本，也用于发酵葡萄酒，啤酒和酵母面包。

“这些离子液体可用于预处理和开始加工，”佐藤说。“问题在于，即使您在进行发酵之前麻烦地从生物质中去除和回收尽可能多的离子液体，您无法获得的量足以对大量毒性产生影响。微生物。“

这种毒性足以使酵母将糖转化为生物燃料的效率降低70%，这对于工业过程来说是一种严重的损失。

佐藤和威斯康星大学麦迪逊分校，联合生物能源研究所和劳伦斯利弗莫尔，劳伦斯伯克利和桑迪亚国家实验室的合作者一直在寻找克服这一障碍的方法。

“大自然可能是最好的工程师。它已经有数百万年的发展来开发和优化生物系统，”佐藤说。“因此，一种解决方案可能是走出去寻找酵母的替代品，酵母是一种不同的微生物，可能能够发酵纤维素糖，也可以吸收离子液体。”

但是许多生物燃料公司和工程师投入了大量的时间和资源来调整他们自己的酵母并围绕他们喜欢的菌株建造生物燃料反应器。不同的发酵生物可能会将它们放回原处。

因此，研究人员研究了从不同生态位中分离出的各种酿酒酵母菌株。在他们调查的136种酵母分离株中，他们发现了一种对离子液体具有突出耐受性的菌株。他们筛选了该菌株的DNA序列，并鉴定了一对基因，这些基因是生存其他毒性预处理化学品的关键。其中一个基因叫做SGE1，它可以使一种蛋白质沉淀在酵母细胞膜中，起到泵去除毒素的作用。

“如果你在细胞表面有更多的这些泵，你可以从你的细胞中获得更多的离子液体分子，”佐藤说。

组成酵母基因组的超过1200万个核苷酸中仅有两个单个核苷酸的变化足以增加这些细胞泵的产量并保护酵母免受离子液体的影响。研究人员使用基因编辑工具CRISPR来改变离子液体敏感酵母的菌株，引入两个单核苷酸变化并成功生产出能够存活和发酵的酵母，以及通常有毒的离子液体量。

“现在任何使用这种酵母的人都可以在他们自己的菌株中查看特定基因，并判断它是否与离子液体过程相容且有用，”佐藤说。“这是一个简单的工程程序，不需要很长时间，而且价格也不贵。而且可以在一到两周的时间内用CRISPR修复它。”

Sato表示，下一步是在实验室外试用改良酵母，并将现实世界的植物材料与生物燃料原料结合使用。

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