利用ARTP隨機(jī)誘變提高釀酒酵母乙醇產(chǎn)量的高通量篩選體系

近年來，以化學(xué)燃料為基礎(chǔ)的化學(xué)工業(yè)導(dǎo)致了嚴(yán)重的空氣污染，而其中二氧化碳的排放是氣候變化的重要影響因素，因此傳統(tǒng)化工業(yè)正在開始向綠色低碳生物制造過渡。生物乙醇是一種較為環(huán)保的燃料，相比于普通燃料，它更加純凈，耗氧量更低，燃燒更加充分，有利于減少溫室氣體的排放。

利用釀酒酵母合成乙醇是一種快速，環(huán)保，經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)方法，但是如何提高乙醇產(chǎn)量和生產(chǎn)效率仍然是一大挑戰(zhàn)。在發(fā)酵過程中滲透壓、有機(jī)溶劑脅迫、溫度、離子脅迫、氧化應(yīng)激等因素都會影響酵母的乙醇產(chǎn)量，一系列物理、化學(xué)誘變、基因工程以及代謝工程的手段被用于開發(fā)乙醇合成能力較強(qiáng)的釀酒酵母突變株。然而，由于缺乏能夠快速表征乙醇合成的高通量篩選方法，研究人員只能使用生長指標(biāo)等進(jìn)行初步篩選，無法準(zhǔn)確表征乙醇合成能力。

近日，廣西科技大學(xué)牛福星、龍秀鋒團(tuán)隊(duì)通過ARTP隨機(jī)突變技術(shù)和基于三苯基-2H-四唑氯化銨（TTC）及前體物丙酮酸（或丙酮酸自由基離子）與Fe3+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)呈現(xiàn)黃色（Py-Fe3+）的雙重高通量篩選方法，成功建立了高產(chǎn)乙醇釀酒酵母高效突變及高通量篩選體系，相關(guān)研究以“A High-Throughput Screening Procedure (Py-Fe3+) for Enhancing Ethanol Production by Saccharomyces cerevisiae Using ARTP Random Mutagenesis”為題發(fā)表在Processes上。

研究團(tuán)隊(duì)建立并實(shí)施了一種新的釀酒酵母誘變篩選策略。發(fā)酵培養(yǎng)基中硝酸鐵與丙酮酸（或丙酮酸自由基離子）反應(yīng)形成的黃色物質(zhì)在OD520處具有很強(qiáng)的線性關(guān)系。來自同一釀酒酵母的衍生酵母的乙醇發(fā)酵能力與發(fā)酵液中丙酮酸的濃度成反比。通過ARTP誘變構(gòu)建大容量突變庫，并通過高通量Py-Fe3+篩選方法，篩選出具有高糖耐量的突變釀酒酵母菌株。進(jìn)化的釀酒酵母NT-F1的乙醇產(chǎn)量達(dá)到135.58 g/L，生產(chǎn)效率達(dá)到81.64%，比出發(fā)菌株GJ2008高20.46%。本研究所建立的方法及其應(yīng)用將有效促進(jìn)釀酒酵母培養(yǎng)物的高精度篩選，并提高乙醇合成的效率。
   

背景信息

研究團(tuán)隊(duì)所使用的ARTP誘變育種儀是天木生物聯(lián)合清華大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)共同開發(fā)的世界上首臺利用等離子體手段對微生物進(jìn)行誘變育種的專用儀器。該儀器突變率高，并且結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便、安全性高、誘變速度快，一次性誘變操作（數(shù)分鐘以內(nèi)）即可獲得大量突變庫，極大地提高了菌種突變強(qiáng)度和突變庫數(shù)量；ARTP技術(shù)結(jié)合高通量篩選技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對生物快速高效的進(jìn)化育種。常壓室溫等離子體（ARTP）同傳統(tǒng)的低壓氣體放電等離子體源相比，具有等離子體射流溫度低、放電均勻、化學(xué)活性粒子濃度高等特點(diǎn)。該儀器可以用于原核生物（如酵母、放線菌等）、真核生物（如霉菌、酵母、藻類、高等真菌等），不同型號的設(shè)備可以處理不同的對象，如ARTP-P可以對植物（花粉、種子、胚芽），動物（受精卵、幼苗）等等。