清华大学赵雪冰团队BMC：酿酒酵母对木质纤维素水解液中胁迫因子的响应机制及构建鲁棒性菌株策略
木质纤维素类生物质是最丰富的可再生资源之一。资源化利用木质纤维素类生物质可减少CO2净排放量，促进碳中和实现。因其碳中性、非粮竞争等优势，将此类生物质转化为燃料乙醇或高附加值产品成为绿色生物制造的研究热点。生物乙醇是已商业化的生物燃料，年消费量高达约8000万吨。若将全球秸秆类生物质转化为乙醇，纤维乙醇的年产量可达4亿吨。但目前工业化生产过程中仍存在许多关键技术难点，其中来自预处理过程的各典型胁迫因子对发酵用酿酒酵母菌株的抑制作用是所面临的关键挑战之一。
构建鲁棒性菌株可为生物燃料乙醇的工业化生产迎来新的机遇。本文基于弱酸类、呋喃类和酚类等预处理水解液中的主要胁迫因子，综述了酿酒酵母的应激响应，并按生物学过程分区讨论酿酒酵母的内源调控机制。目标基因靶点是构建鲁棒性菌株的根基，因而依据潜在靶向基因的功能进行分类总结。依托合成生物学和基因编辑技术的发展，对提升菌株耐受能力的策略进行展望，以为构建高效生产生物乙醇的稳健菌株提供技术启示。
图1 木质纤维素类生物质资源化利用
图2 木质纤维素燃料乙醇发酵生产中主要胁迫因子来源
预处理是促进化学或酶解释放可发酵糖的首要条件。稀酸预处理技术使用硫酸等廉价的矿物酸，水解半纤维素生成可发酵糖。该技术被认为是最具潜力和商业应用前景的预处理技术之一。然而，包括有机酸、呋喃醛和酚类在内的胁迫因子不可避免地释放到水解液中。更加严苛的预处理条件会促进可发酵糖的生成，但也会导致更多胁迫因子的形成。低浓度胁迫因子存在条件下，酿酒酵母通常会给予正向应激反应，以维持其生长和繁殖。但当胁迫浓度超过酵母的临界水平，酵母的生长和发酵性能将受到很大影响。
图3 酿酒酵母内源调控机制
酿酒酵母对胁迫因子的响应往往呈现为细胞水平的全局调控。目前通过转录组学和蛋白质组学的分析，不断揭示了酿酒酵母在响应胁迫因子条件下的内源调控机制。基于目前所揭示的调控机制，本文从细胞壁/膜调控、能量调控、氨基酸调控、转录和翻译等方面总结了酿酒酵母潜在的响应机制。
图4 酿酒酵母对乙酸、甲酸、糠醛、5-羟甲基糠醛和酚类化合物的多级防御示意图。参与调控的生物学过程主要包括细胞壁级联响应、质膜屏障、中心碳代谢调控、氨基酸代谢调控和氧化还原稳态平衡
图5 鲁棒性酿酒酵母菌株构建的潜在策略：胁迫因子诱导细胞产生复杂的应激响应，胞内构建可耐受/消除胁迫因子的靶向通路，可以增强菌株的耐受性能；单/多基因元件的特异表达诱导酿酒酵母内源调控的重塑；辅助适应性进化可以平衡菌株因基因元件特异表达而引起的代谢负荷，进而提升菌株的鲁棒性
综上所述，木质纤维素类生物质发酵生产生物乙醇是实现碳中和的一条重要途径。发酵过程中，来自水解液的弱酸类、呋喃类和酚类胁迫因子对酿酒酵母的胁迫刺激不同。这些复杂的负效应组合在一起，对菌株的耐受性提出严格要求，成为直接制约工业化大规模生产的关键瓶颈问题。在解析酿酒酵母的应激响应和内源调控机制，及挖掘潜在基因靶点的基础上，定向设计并集成多重耐受元件，以提高菌株对多重胁迫的耐受性，将可有效提高工业化生物乙醇的生产效率，降低发酵能耗和生产成本，推动绿色生物制造发展。
作者简介：
本文第一作者为清华大学化工系博士后李波，主要从事有机废弃物资源化、合成生物学、生物燃料乙醇发酵工艺的基础和应用研究；通讯作者为清华大学化工系副教授、博士生导师赵雪冰。赵雪冰团队一直致力于木质纤维素生物质的生物和化学转化研究，发表120篇学术论文和专著章节，出版中英文专著各一部，译著一部；论文引用超过7300次，H指数41（Google学术统计），先后有五篇论文成为ESI高引论文、两篇为热点论文；曾获得Renewable & Sustainable Energy Review中国区高引用论文奖（2017）、侯德榜化工科技青年奖（2017）、清华之友-刘述礼育才奖（2019）等奖项；入选2020年斯坦福大学发布的全球前2%科学家榜单，以及爱思唯尔2020年中国高被引学者。
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原文链接：
https://doi.org/10.1186/s13068-022-02127-9
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