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红色酵母提供了生产更好的生物燃料的线索

2019-03-11 09:55:25 • 来源：

科学家看到红色的化合物可能是工程酵母生产更好的生物燃料的关键。一种名为pulcherrimin的红色素，由几种野生酵母菌株自然产生，部分通过相同的生化途径合成，研究人员希望用它来改善异丁醇的产量，异丁醇是乙醇的一种有前途的生物燃料替代品。本周(2008年10月8日)在美国国家科学院院刊上发表的研究报告中，威斯康星大学麦迪逊分校和大湖区生物能源研究中心的一个小组描述了酵母用于制造pulcherrimin的遗传机制，它结合铁，一种必需的营养素。该工作是利用合成途径大规模生产异丁醇作为生物燃料的关键步骤。

红色酵母提供了生产更好的生物燃料的线索

“与第一代生物燃料相比，例如乙醇，异丁醇具有更高的能量含量，与汽油混合更好，腐蚀更少，并且与现有的发动机技术更加兼容，”GLBRC研究员Chris Todd Hittinger表示，UW-Madison遗传学领导这项研究的教授。“尽管如此，从专用能源作物可持续地生产这种燃料仍然存在相当大的障碍。”

在正常条件下，酵母通常不会产生太多的异丁醇，GLBRC的博士后研究员兼新研究的主要作者David Krause说。最常研究的物种在发酵过程中产生乙醇。但由于异丁醇合成的早期步骤与用于制备pulcherrimin的步骤相同，因此天然产生色素的酵母 - 通过其独特的红色色调很容易识别 - 引起了研究人员的注意。

“我们的想法是，制造pulcherrimin的这些酵母可能会制成更多的异丁醇，”Krause说。“我们想要使用一些已经在这些途径中添加更多碳的酵母物种，看看我们是否可以将它们转化为异丁醇而不是pulcherrimin。”

然而，一个挑战是对pulcherrimin知之甚少，包括酵母是如何制造的。该分子的有限研究主要集中在其化学和抗菌性能上。而最常见的实验室酵母物种酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)根本就没有。

研究人员使用跨越90种酵母物种的比较基因组学来鉴定参与pulcherrimin生产的基因。他们发现了一组四个基因，他们将其命名为PUL1-4，它们似乎起着互补作用。通过广泛的遗传表征，他们确定PUL1和PUL2是制造分子所必需的，而PUL3和PUL4似乎有助于酵母转运并调节其产生。

这一发现令人惊讶，部分原因是它标志着芽殖酵母中基因簇的第一份报告，该酵母负责产生一种称为次级代谢产物的化合物。许多次级代谢物具有作为抗生素，毒素或信号分子的有价值的功能。虽然许多这样的分子是由丝状真菌和细菌产生的，但新研究表明，一些芽殖酵母也会产生次生代谢产物。

“研究不同的基因组可以带来发现和新的生物学见解......我们能够通过这些鲜为人知的物种的镜片了解更多关于酿酒酵母中的基因，”Chris Hittinger说。

该研究的另一个令人惊讶的方面是发现许多不产生pulcherrimin的酵母物种 - 包括酿酒酵母 - 仍然具有工作PUL3和PUL4基因。Krause解释说，许多酵母谱系的模式表明，保留这些基因可以让一些物种利用其他物种制造的pulcherrimin。

“可能存在一种向生物体发展的趋势，这种生物体不具备生产分子的能力，但仍能够使用它，”他说。“因此，他们的邻居正在制造pulcherrimin，他们能够使用它而不必承担制造它的成本。”

研究结果还强调了超越传统实验室模型的价值。

“这项工作真正展示了研究多样化的基因组如何能够带来发现和新的生物学见解，”Hittinger说。“专注于一个生物体可以给我们一个复杂的生物过程的不完整画面。同时，我们能够通过一些这些鲜为人知的物种的镜头，更多地了解酿酒酵母中的基因。”

通过更好地了解pulcherrimin生产中涉及的步骤，研究人员现在准备尝试调整生产机器并转而生产异丁醇。“这项研究是我们了解pulcherrimin并将其应用于生物燃料的起点，”Krause说。

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