研究：新生物过程能有效地将植物材料转化为生物燃料和有价值的化学品

木质纤维素是植物细胞的结构来源。它主要含有醋酸盐、糖、葡萄糖和木糖，这些都是在分解过程中释放出来的。

日前，伊利诺伊大学香槟分校的研究人员在《Nature Communications》上发表的论文中描述了他们的工作。据悉，他们为克服木质纤维素生物燃料商业化的主要障碍之一–醋酸对酵母等发酵微生物的毒性–提供了一种可行的方法。

食品科学和人类营养学教授Jin Yong-Su表示：“这是第一次证明木糖和醋酸在生产生物燃料方面的有效和完全利用的方法。”作为Carl R. Woese基因组生物学研究所的附属机构，Jin和当时还在读研究生、论文第一作者Liang Sun共同领导了这项研究。

他们的方法充分利用了柳枝稷细胞壁中的木糖和醋酸盐并将醋酸盐从一种不需要的副产物转化为一种有价值的底物，从而提高了酵母在转化水解产物中的糖的效率。

“我们发现，我们可以利用这种被认为是有毒的、无用的物质作为木糖的补充碳源，从而能够经济地生产精细化学品”，Jin说道。据悉，像三乙酸内酯(TAL)和维生素A都属于Jin提到的精细化学品，它们来自相同的前体分子–乙酰辅酶A。

目前在威斯康星大学麦迪逊分校做博士后的Sun表示，TAL是一种多功能平台化学品，目前可通过提炼石油获得被用到生产塑料和食品配料领域。

在早期的工作中，当时在能源生物科学研究所(Energy Biosciences Institute)担任研究员的合著者Soo Rin Kim设计了一种酵母–酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)以快速有效地消耗木糖。Kim目前在韩国庆北大学担任教员。

在目前的研究中，他们使用在U. of I. Energy Farm收获到的柳枝稷来制造半纤维素水解物。研究人员利用工程酵母细胞发酵水杨酸盐中的葡萄糖、木糖和乙酸酯。

当葡萄糖和醋酸同时提供时，酿酒酵母能迅速将葡萄糖转化为乙醇并降低了细胞培养物的pH水平。然而，乙酸的消耗被强烈抑制，这导致培养物在低pH条件下对酵母细胞有毒。

当为木糖提供醋酸盐时，“这两种碳源形成了协同作用从而促进了两种化合物的高效代谢，”Sun疏导，“木糖支持细胞生长并为醋酸同化提供足够的能量。因此，酵母可以非常有效地代谢乙酸作为底物进而产生大量TAL。”

Sun指出，与此同时，培养基的pH值随着醋酸盐的代谢而增加，这反过来会促进酵母对木糖的消耗。

此外，他还表示，当他们通过RNA测序分析酿酒酵母的基因表达时，他们发现跟醋酸吸收和代谢有关的关键基因被木糖显著上调。

同时喂食醋酸和木糖的酵母细胞积累了更大的生物量，它们的脂质和麦角甾醇水平分别增加了48%和45%。麦角甾醇是一种真菌激素，在发酵过程的逆境适应中起着重要的作用。

Sun称，醋酸和木糖的共同利用还增加了酵母的乙酰辅酶A（麦角甾醇和脂类的前体分子）的供应并提供了一个代谢捷径–将醋酸转化为乙酰辅酶A并使TAL的生产更近一步。

“通过共同利用木糖和醋酸盐作为碳源，我们能够显著提高TAL的产量–比之前报道的使用工程酿酒酵母的产量高出14倍。我们在维生素A的生产中也采用了这种策略，其证明了它有可能过度生产其他从乙酰辅酶A中提取的高价值生物产品如类固醇和类黄酮，”Sun说道。

此外，Jin和Sun还指出，由于这个过程完全利用了木质纤维素生物质中的碳源，所以它可以无缝地集成到纤维素生物炼制中。

“这关系到我们社会的可持续发展。我们需要充分利用这些未开发的资源来建设一个可持续的未来。我们希望在50年或100年后，我们将主要依靠这些可再生的、丰富的原料来生产我们日常生活所需的能源和材料。这是我们的目标。但就目前而言，我们只是在做一些小事情以确保这一点能够慢慢地发生，”Sun说道。