來自威斯康星大學(xué)麥迪遜分校和美國能源部幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)確定了一個(gè)基因的兩個(gè)變化，這個(gè)變化可以使酵母耐受預(yù)處理化學(xué)品。他們最近在遺傳學(xué)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(xì)胞在物理上，化學(xué)上和微生物中分解，幾乎就像它會(huì)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(shí)間，“位于威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的Great Lakes生物能源研究中心的資深科學(xué)家，酵母研究的首席研究員Trey Sato說。“這段時(shí)間與工業(yè)環(huán)境不相容，其目標(biāo)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(yù)處理原料來加速這一過程。植物生物量。預(yù)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(yù)處理后，構(gòu)成植物細(xì)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(yù)處理和開始加工，”佐藤說。“問題在于，即使您在進(jìn)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(duì)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(duì)工業(yè)過程來說是一種嚴(yán)重的損失。

佐藤和威斯康星大學(xué)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(yīng)器。一種不同的發(fā)酵生物可能會(huì)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(duì)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(duì)基因，這些基因是生存其他毒性預(yù)處理化學(xué)品的關(guān)鍵。其中一個(gè)基因叫做SGE1，它產(chǎn)生的蛋白質(zhì)沉淀在酵母細(xì)胞膜中，起到泵去除毒素的作用。

“如果你在細(xì)胞表面有更多的這些泵，你可以從你的細(xì)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(gè)核苷酸中僅有兩個(gè)單個(gè)核苷酸的變化足以增加這些細(xì)胞泵的產(chǎn)量并保護(hù)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(gè)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(gè)簡單的工程程序，不需要很長時(shí)間，也不貴。它可以在一到兩周的時(shí)間內(nèi)與CRISPR固定。“

Sato說，下一步是在實(shí)驗(yàn)室外試用改良的酵母，結(jié)合用作生物燃料原料的真實(shí)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(xué)教授Audrey Gasch和Chris Hittinger以及生物化學(xué)和細(xì)菌學(xué)教授Robert Landick。