工程酵母可以扩大生物燃料的范围

促进乙醇等生物燃料的生产可能是减少全球化石燃料消费的重要一步。然而，乙醇生产在很大程度上受限于对玉米的依赖，而玉米的种植量不足以满足美国燃料需求的很大一部分。

为了尝试扩大生物燃料的潜在影响，麻省理工学院的一个工程师团队现在找到了一种方法来扩大使用更广泛的非食品原料来生产这种燃料。目前，秸秆和木本植物等原料难以用于生物燃料生产，因为它们首先需要分解为可发酵糖，这一过程会释放出许多对酵母有毒的副产品，酵母是生产生物燃料最常用的微生物.

麻省理工学院的研究人员开发了一种规避这种毒性的方法，使使用这些资源更为丰富的资源来生产生物燃料成为可能。他们还表明，这种耐受性可以被设计到用于制造其他化学品的酵母菌株中，从而有可能使用“纤维素”木本植物材料作为制造生物柴油或生物塑料的来源。

“我们真正想做的是向几乎所有产品开放纤维素原料，并利用纤维素提供的丰富资源，”麻省理工学院研究助理、新研究的主要作者 Felix Lam 说。

Gregory Stephanopoulos，Willard Henry Dow 化学工程教授，以及 Gerald Fink，Whitehead 生物医学研究所的 Margaret and Herman Sokol 教授和麻省理工学院生物系的美国癌症协会遗传学教授，是该论文的高级作者，今天出现在《科学进展》中。

提高容忍度

目前，美国约 40% 的玉米收获用于乙醇。玉米主要是一种需要大量水和肥料的粮食作物，因此被称为纤维素生物质的植物材料被认为是可再生燃料和化学品的一种有吸引力的、非竞争性的来源。根据美国能源部的一项研究，这种生物质包括多种类型的稻草，以及通常未使用的玉米植物部分，每年可产生超过 10 亿吨的材料——足以替代 30 至50% 的石油用于运输。

然而，使用纤维素生物质的两个主要障碍是纤维素首先需要从木质木质素中释放出来，然后纤维素需要进一步分解成酵母可以使用的单糖。所需的特别激进的预处理会产生称为醛的化合物，这种化合物非常活泼，可以杀死酵母细胞。

为了克服这个问题，麻省理工学院的团队利用他们几年前开发的一项技术来提高酵母细胞对多种酒精的耐受性，这些酒精对酵母也有大量毒性。在该研究中，他们表明，在生物反应器中加入可增强酵母细胞膜的特定化合物有助于酵母在高浓度乙醇中存活更长时间。使用这种方法，他们能够将高性能酵母菌株的传统燃料乙醇产量提高约 80%。

在他们的新研究中，研究人员设计了酵母，以便他们可以将纤维素副产物醛转化为酒精，从而使他们能够利用他们已经开发的酒精耐受策略。他们测试了几种天然存在的酶，这些酶来自几种酵母，并确定了一种效果最好的酶。然后，他们使用定向进化来进一步改进它。

“这种酶将醛类转化为醇类，我们已经证明，使用我们开发的其他方法，酵母可以比醛类更耐受醇类，”Stephanopoulos 说。

酵母在从有毒纤维素原料中生产乙醇方面通常不是很有效;然而，当研究人员表达这种表现最佳的酶并在反应器中加入膜增强添加剂时，该菌株的纤维素乙醇产量增加了两倍多，达到了与传统玉米乙醇相匹配的水平。

丰富的原料

研究人员证明，使用五种不同类型的纤维素原料，包括柳枝稷、小麦秸秆和玉米秸秆(玉米收获后留下的叶子、茎秆和外壳)，他们可以实现高产量的乙醇。

“使用我们的工程菌株，您基本上可以从所有这些通常毒性很大的原料中获得最大的纤维素发酵，”Lam 说。“这样做的好处是，如果某个季节你的玉米残留物不是那么好也没关系。你可以改用能量吸管，或者如果你没有高可用性的吸管，你可以改用某种浆状的木质残留物。”

研究人员还将他们的醛转乙醇酶设计成一种酵母菌株，该菌株被设计用于生产乳酸，乳酸是生物塑料的前体。就像它对乙醇所做的那样，这种菌株能够从纤维素材料中产生与从玉米中产生相同产量的乳酸。

该演示表明，将醛耐受性设计到产生其他产品(例如柴油)的酵母菌株中是可行的。生物柴油可能会对重型卡车运输、航运或航空等行业产生重大影响，这些行业缺乏电气化等零排放替代品，并且需要大量化石燃料。

“现在我们有了一个公差模块，您可以将其固定在几乎任何类型的生产路径上，”Stephanopoulos 说。“我们的目标是将这项技术扩展到更适合生产这些重质燃料的其他生物，如油、柴油和喷气燃料。”

该研究由美国能源部和美国国立卫生研究院资助。