史上最牛纤维素乙醇微生物—自带纤维素酶、嗜热、抗抑制物

作者：张馨予

嗜热菌在生物炼制领域有独特应用，因为高温的发酵条件可促进生物质原料降解、减少冷却水的使用，同时有效避免发酵过程的染菌问题。

热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor bescii)是一种极端嗜热菌，其最优生长温度为75℃（90℃下也能生长），远高于热纤梭菌(Clostridium thermocellum)。该菌分泌的纤维素酶CelA酶活是市售纤维素酶Cel7A（来自里氏木霉）的2倍。另外，其底物谱广，可利用己糖、戊糖为碳源，而且有较高的乙醇耐受性，有望取代热纤梭菌成为下一代纤维素乙醇合成细胞工厂。2013年NREL和佐治亚大学的科学家解析了该菌分泌的CelA纤维素酶的降解机制，结果发表在Science上；去年6月份佐治亚大学的其他组的研究人员开发了该菌的遗传操作系统，使之在引入乙醇合成途径后能直接利用未经预处理的柳枝稷（swichgrass）生产乙醇。这是不经预处理直接利用纤维原料生产乙醇的首例报道，结果发表在PNAS上。高温有助于柳枝稷水解，但水解过程中也会产生对菌体的毒害物质如糠醛、5-羟甲基糠醛等。为解决这一问题，需加强该菌的抗逆研究。

近日，他们在该菌的抗逆研究有了新进展，相关结果发表在国际期刊Biotechnology for Biofuels上。他们首先证实了来自嗜热菌Thermoanaerobacter pseudethanolicus 39E的丁醇脱氢酶有还原糠醛及5-羟甲基糠醛的能力，然后将编码该酶的基因整合至缺失乳酸代谢途径的热解纤维素菌染色体上。他们发现，该基因在75℃的高温条件下仍能正常表达，而且该酶是NADPH依赖型的。他们构建的工程菌相较于母菌及野生型菌株对糠醛及5-羟甲基糠醛的耐受性大大提升。不仅如此，当培养基中添加15mM的糠醛时，工程菌甚至可以而且可有效转化这类抑制物。可以预见，如在该抗逆株中导入乙醇生产途径，该菌将能直接利用不经预处理的柳枝稷发酵生产乙醇，而且不受主要抑制物（乙醇、糠醛、5-羟甲基糠醛）的干扰。

该研究工作在概念上打通了CBP工艺炼制纤维素资源的“最后一公里”，值得欢欣鼓舞。不过，绝大多数木质纤维资源的细胞壁的致密程度远高于柳枝稷，需要多种纤维素酶协同降解，而且高温发酵时各原料产生的抑制物种类和浓度也不尽相同，要使基于该菌的CBP工艺应用于实际的生物炼制，还有很长的路要走。