來自威斯康星大學麥迪遜分校和美國能源部幾個實驗室的研究人員已經(jīng)確定了一個基因的兩個變化，這個變化可以使酵母耐受預處理化學品。他們最近在遺傳學雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。即使在最前沿的工廠中，將植物材料如草或剩余的玉米稈轉(zhuǎn)化為生物燃料也常常模仿自然將植物養(yǎng)分返回土壤，空氣和水的方式。無論如何，植物細胞在物理上，化學上和微生物中分解，幾乎就像它會自然分解一樣。

“但是，分解植物材料的過程非常緩慢。一棵倒下的樹完全腐爛需要數(shù)年時間，“位于威斯康星大學麥迪遜分校的Great Lakes生物能源研究中心的資深科學家，酵母研究的首席研究員Trey Sato說。“這段時間與工業(yè)環(huán)境不相容，其目標是盡可能快地生產(chǎn)出更多的產(chǎn)品，以便將其推向市場銷售。”

因此，生物燃料制造商通過預處理原料來加速這一過程。植物生物量。預處理可包括施加氨氣，酸，熱和壓力，稱為離子液體的鹽，或這些和其他方案的某種組合。

預處理后，構(gòu)成植物細胞壁和纖維的纖維素被酶分解以釋放糖。糖通過微生物發(fā)酵成燃料 - 通常是經(jīng)過精心培育和釀造的釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的工程版本，也用于發(fā)酵葡萄酒，啤酒和酵母面包。

“這些離子液體可用于預處理和開始加工，”佐藤說。“問題在于，即使您在進行發(fā)酵之前麻煩地從生物質(zhì)中去除和回收盡可能多的離子液體，您無法獲得的量足以對大量毒性產(chǎn)生影響。微生物。“

這種毒性足以使酵母將糖轉(zhuǎn)化為生物燃料的效率降低70%，這對工業(yè)過程來說是一種嚴重的損失。

佐藤和威斯康星大學麥迪遜分校，聯(lián)合生物能源研究所和勞倫斯利弗莫爾，勞倫斯伯克利和桑迪亞國家實驗室的合作者一直在尋找克服這一障礙的方法。

“大自然可能是最好的工程師。它開發(fā)和優(yōu)化生物系統(tǒng)已有數(shù)百萬年的發(fā)展歷史，“佐藤說。“因此，一種解決方案可能是找出酵母的替代品，酵母是一種不同的微生物，它可以發(fā)酵纖維素糖，也可以吸收離子液體。”

但許多生物燃料公司和工程師投入了大量的時間和資源。調(diào)整自己的酵母和圍繞他們喜歡的菌株建立生物燃料反應器。一種不同的發(fā)酵生物可能會將它們放回原處。

因此，研究人員研究了從不同生態(tài)位中分離出的各種釀酒酵母菌株。在他們調(diào)查的136種酵母分離物中，他們發(fā)現(xiàn)了一種對離子液體具有突出耐受性的菌株。他們篩選了該菌株的DNA序列，并鑒定了一對基因，這些基因是生存其他毒性預處理化學品的關鍵。其中一個基因叫做SGE1，它產(chǎn)生的蛋白質(zhì)沉淀在酵母細胞膜中，起到泵去除毒素的作用。

“如果你在細胞表面有更多的這些泵，你可以從你的細胞中獲得更多的離子液體分子，”佐藤說。

組成酵母基因組的超過1,200萬個核苷酸中僅有兩個單個核苷酸的變化足以增加這些細胞泵的產(chǎn)量并保護酵母免受離子液體的影響。研究人員使用基因編輯工具CRISPR來改變離子液體敏感酵母的菌株，引入兩個單核苷酸變化并成功生產(chǎn)出能夠存活并發(fā)酵的酵母，以及通常有毒的離子液體量。

“現(xiàn)在，任何使用這種酵母的人都可以查看自己菌株中的特定基因，并判斷它是否與離子液體過程相容且有用，”佐藤說。“這是一個簡單的工程程序，不需要很長時間，也不貴。它可以在一到兩周的時間內(nèi)與CRISPR固定。“

Sato說，下一步是在實驗室外試用改良的酵母，結(jié)合用作生物燃料原料的真實植物材料。

該研究的合作者包括聯(lián)合生物能源研究所的Michael Thelen和UW-Madison遺傳學教授Audrey Gasch和Chris Hittinger以及生物化學和細菌學教授Robert Landick。