不同的环境有助于提高生物燃料生产

麻省理工学院工程师培养了提高生物燃料生产的新方法

卵子酿酒酵母酿酒酵母酵母细胞放大400次。图片:A.怀疑/ Wikimedia Commons

通过简单地改变酵母种植的培养基的组成,在白头上生物医学研究所的工程师和麻省理工学院能够将酵母的乙醇产量提高约80%。

酵母通常用于将玉米和其他植物材料转化为乙醇等生物燃料。然而,大量浓度的乙醇对酵母有毒,这限制了工业中使用的许多酵母菌株的生产能力。

“毒性可能是具有成本效益的生物燃料生产中最重要的问题,”威尔玛德亨利道理教授的化学工程教授Gregory Stephanopoulos。

现在,麻省理工学院的Stephanopoulos及其同事通过简单地改变酵母生长的培养基的组成来提高乙醇对乙醇的新方法。他们报告了他们认为对工业生物燃料生产产生重大影响的调查结果,在今天的期刊上的科学问题

乙醇和其他醇可以破坏酵母细胞膜,最终杀死细胞。麻省理工学院团队发现,将钾和氢氧化物离子加入到酵母生长酵母生长的介质中可以帮助细胞补偿该膜损伤。通过制定这些变化,研究人员能够将酵母的乙醇产量提高约80%。他们还表明,这种方法与商业酵母菌株和其他类型的醇,包括丙醇和丁醇,甚至对酵母更具毒性。

“我们越了解为什么分子是毒性的,以及将这些生物更容易耐受的方法,人们将获得如何攻击其他更严重的毒性问题的想法,”Stephanopoulos是一位高级作者之一科学论文。

“这项工作有很长的路要挤出糖的最后一滴乙醇,”杰拉尔德·福克斯(Bichead Institute)成员的麻省理工学院,以及Whitehead Institute的MIT教授,以及本文的其他高级作者。yabo124Postdoc Felix Lam是纸的主要作者,研究生Adel Ghaderi也为这项研究做出了贡献。

加强细胞防御

该研究团队开始该项目寻找可以操纵的基因或基因组,以使酵母更容许乙醇,但这种方法并没有产生巨大的成功。然而,当研究人员开始尝试改变酵母生长的培养基时,他们发现了一些戏剧性的结果。

通过用氯化钾增强酵母的环境,并将pH与氢氧化钾增加,研究人员能够大大提高乙醇生产。他们还发现这些变化不会影响酵母产生乙醇的生化途径:酵母继续以相同的每细胞率生产乙醇,只要它们保持活力即可。相反,变化影响了它们的电化学膜梯度 - 膜内和外部的离子浓度差异,其产生电池可以用来控制各种分子流入和从细胞中的流动的能量。

乙醇增加了细胞膜的孔隙率,使细胞非常困难维持其电化学梯度。增加细胞外的钾浓度和pH值有助于它们加强梯度并存较长;他们生存的时间越长,他们制造的乙醇就越多。

“通过加强这些梯度,我们为酵母充满活力,让它们能够承受骚扰条件并继续生产。对我们来说也是令人兴奋的是,这可以将乙醇超越乙醇,以相同的方式扰乱细胞膜的更先进的生物燃料酒精,“林说。

研究人员发现,它们还可以延长存活,但不如通过工程酵母细胞表达更多的钾和质子泵,该泵在细胞膜和泵钾和质子中。

工业相关性

在酵母开始工作生产乙醇之前,原料通常玉米必须分解成葡萄糖。新的MIT研究的重要特征是,研究人员在非常高浓度的葡萄糖中进行了实验。虽然许多研究已经检查了在低血糖水平下提高乙醇耐受的方法,但麻省理工学院组队使用约300克/升的浓度,类似于工业生物燃料发酵罐中的发现。

“如果你真的想相关,你必须去这些层次。否则,您在低乙醇水平上学的内容不太可能转化为工业生产,“Stephanopoulos说。

佛罗里达州佛罗里达州的总监Lonnie Ingram,可再生化学品和燃料佛罗里达大学,描述了麻省理工学院球队的发现是“显着和意想不到的”。

“少数人会预期这些结果,表明跨膜的电化学梯度增加了含酒精耐受性的显着增加,”Ingram说。“这一发现将在高浓度的糖中具有商业过程中的商业过程中的直接应用。”

在最近的实验中,麻省理工学院研究人员使用这种方法将乙醇生产率甚至高于科学论文报告的生产率。他们还在努力使用这种方法来提高各种工业原料的乙醇产量,因为从对酵母固有的原始毒性的原始化合物,产率低。

该研究由麻省理工学院能源倡议和能源部资助。

出版物:Felix H. Lam,等,“酵母的工程酗酒,”科学2014年10月3日:卷。346号。6205 pp.71-75;DOI:10.1126 / Science.1257859

图片:A.怀疑/ Wikimedia Commons

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