文档介绍：中国生物工程杂志 ChinaBiotechnology,2009,29(9):102~107
发酵过程中微生物利用单糖的差异性
朱豫1,2 曹海龙1,2 李曙光1 白雪芳1 杜昱光1
(1中国科学院大连化学物理研究所大连 116023 2中国科学院研究生院北京 100049)
摘要考察了多种发酵常见微生物对单糖的利用差异(尤其是葡萄糖/果糖利用差异)。并在分
子生物学层面,从转运和磷酸化两个角度分析了造成这种差异的原因。通过定位与此相关的特
殊操纵子或编码基因,能够帮助实现工业微生物的改造,从而使多种非葡萄糖基生物质能源得到
有效利用,对能源模式的转化和可持续发展有着重要意义。
关键词单糖利用差异转运磷酸化生物质能源
中图分类号 Q815
能源是现代社会赖以生存和发展的基础。持续、糖、阿拉伯糖等。不过,微生物利用它们的效率是不同
稳定的能源供应和高效、清洁的能源利用,是我国实现的。高浓度碳源还可能对微生物生长产生抑制[3]。以
经济可持续发展的基本保证,也是国家战略安全保障木质纤维素为例,其主要成份之一半纤维素容易被水
[4]
的基础之一。大量消费化石能源所排放的 SO2 和 CO2 解,产物的 85% ~90%为木糖。酿酒酵母是传统的
已严重威胁人类赖以生存的生态环境,不可再生的化乙醇生产菌株,缺乏转化木糖的酶系,但能发酵其异构
石能源正面临枯竭的危险。体木酮糖。因此构建利用木糖产乙醇的重组酵母有两
生物质能源的利用和实施便应运而生,并迅速成个策略:一是在酿酒酵母中克隆并表达木糖还原酶基
为各国政府和研究机构能源战略的研究焦点。为此, 因 XYL1和木糖醇脱氢酶基因 XYL2;二是克隆并表达
欧美许多国家结合本国特点制定了生物质能源的发展木糖异构酶基因 XYLA[5]。研究显示在酿酒酵母中表
纲要,在推广使用上出台了相关的优惠政策推动生物达来自嗜热菌 Thermusthermophilus的木糖异构酶基因
[1]
质能源发展。例如美国和巴西以玉米和甘蔗生产燃 XYLA而建立了的木糖代谢途径后,使其能够以木糖为
料乙醇;欧洲以油菜为原料生产的生物柴油等都取得
唯一碳源进行限氧发酵,木糖利用率为宿主菌的
了成功,为传统的生物质产业洞开了一个新的替代性[6]
倍。类似地,蔗糖、菊粉水解后产生大量的果糖、果
能源窗口[2]。
糖与葡萄糖浓度比甚至高达 3~4。发酵工业所用的微
常见的生物质能源多来源于碳水化合物基原料,
生物能否有效地利用果糖,为这类碳水化合物基能源
大致分为以下几种:糖质原料(sugar?basedfeedstock),
植物的开发利用提出很大挑战。
淀粉质原料(starch?basedfeedstock),菊粉质原料
(inulin?based feedstock),木质纤维素类原料 1 单糖利用的差异性
(lignocellulosicfeedstock)和乳清、纸浆废液等工业废
即便微生物细胞质内具备代谢单糖的酶系,但利
料。这些原料预处理后经酸解或酶解后形成的单糖或
用不同单糖积累的生物量和代谢产物量却不尽相同。
由这些单糖聚合成的低聚寡糖可被微生物利用,作为
尤其是发酵过程中果糖基碳源和葡萄