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我所取得生物丁醇制造技术研究新进展

近日,《BMC Genomics》和《Metabolic Engineering》杂志相继发表了中科院合成生物学重点实验室生物丁醇协作组(姜卫红,杨琛,杨晟课题组)的最新研究成果。该协作组解析了重要产溶剂梭菌丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)中木糖代谢途径,鉴定了与之相关的关键酶基因、转运基因和调控基因,并通过代谢工程手段解除了该菌的碳代谢物阻遏(Carbon Catabolite Repression, CCR)效应,使其能同时、同等程度地利用葡萄糖和木糖两种底物进行溶剂的生物合成。此项结果在提高木质纤维素液体燃料发酵的生产效率方面具有重要应用价值。

丁醇不仅是重要的大宗基础化工原料,更以其优良的燃烧、存储及运输特性有望成为继乙醇之后的新一代生物燃料。占生产成本75%以上的粮食类淀粉质原料消耗不仅限制了生物丁醇的市场竞争力,其大规模的使用难免给粮食市场造成冲击。因此,以非粮植物资源,尤其用木质纤维素替代粮食原料实现丁醇的发酵法生产是保证国家粮食安全性的可行途径。

包括玉米秸秆等在内的木质纤维素原料是自然界储量最丰富的可再生资源,经降解后所得水溶液中的主要成分是葡萄糖与木糖。虽然两者都可被产溶剂梭菌代谢并生成丁醇等重要化学品,但是梭菌对木糖的分解转化速度慢、转化率低,而且木糖代谢受到葡萄糖的抑制,从而影响菌株对木质纤维素降解液中多种碳源的同等高效利用。顾阳博士等通过比较基因组学和遗传及生化分析,发现和鉴定了丙酮丁醇梭菌木糖代谢途径中的关键酶基因、糖转运基因以及一个特异性的木糖调控因子XylR;在此基础上,博士生任聪等鉴定了丙酮丁醇梭菌中介导碳代谢物阻遏效应的多效调控因子CcpA;通过对ccpA基因的中断失活,可有效地解除CCR效应,实现了菌株对复杂碳源的同等高效利用,从而克服了木质纤维素生物转化制造丁醇中的一个重要技术瓶颈。协作组目前正在寻求合作对象,推动木质纤维素丁醇生产工艺的中试放大和商业化进程。

上述两项研究得到了国家973计划,863计划,上海市科委等的资助。(顾阳供稿)

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