2024年11月4日，Nature Chemical Biology在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心杨晟研究组题为“Engineering a xylose fermenting yeast for lignocellulosic ethanol production”的研究论文，开发了一株能高效利用秸秆糖的酵母并揭示其高产机制，已用于商业化生产纤维素乙醇。

 

 

将秸秆转化为可发酵糖，采用稀酸蒸汽爆破预处理技术及诺和新元（由原诺维信和科汉森公司合并而成）的纤维素酶，应该是最接近商业化的技术方案；而将秸秆糖经济地转化为燃料乙醇乃至其它化学品，需要抗逆性能优异且能高速发酵木糖的微生物。诺和新元公司与中粮生化合作进行玉米秸秆产乙醇的中试，但从第三方引进的木糖酵母性能仍有待提升，且未获商业许可。诺和新元公司吴文平博士和中国科学院上海生命科学研究院（现分拆为分子植物科学卓越创新中心）杨晟研究员交流后达成共识，很有必要开发一株国产木糖酵母。

 

杨晟实验室及他负责的上海工业生物技术研发中心针对诺和新元提供的玉米秸秆糖液筛选了一批酵母，发现中国酒精工业所用的安琪超酒酵母抗逆性能较好，在此基础上引入并优化了木糖利用途径。最关键的是，研究团队确认钠盐而非之前报道的其它物质为主要抑制因子，交替使用逐步升高钠盐浓度的木糖培养基和葡萄糖/木糖混合培养基进行百余代的适应性进化，获得了满足技术成功标准的木糖酵母。该木糖酵母不仅仅填补了国内空白，还胜过了诺和新元公司测试过的其他酵母及收到的酵母表现数据，成为全球纤维素乙醇工厂的首选。

 

中国科学院的科学家们称该木糖酵母为“秸酿”，诺和新元推广该酵母的商品名则为Cellerity®1.0。自正式商用以来，“秸酿”已经生产了超十万吨纤维素乙醇，证实了该酵母在甘蔗渣和玉米秸秆水解液中极其优异的性能；并将被应用于转化稻草等其它秸秆原料为酒精。近日，诺和新元获得分子植物卓越中心与上海工业生物技术研发中心授权，将该酵母的原料和产品谱扩展至纤维素乙醇以外的更多化学品。双方合作的研究论文不仅描述了 “秸酿”的开发历程，还解析了其高性能机制，并从头构建出一株与进化株性能相当的工程酵母。

 

图：戊糖酵母高产原理

 

杨晟实验室研究生张译文与杨俊杰副研究员为共同第一作者，杨晟研究员为通讯作者。蒋宇博士、刁刘洋博士与工程师钱峰慧、刘映淼、陈军以及研究生孔杨杨、王心、王利钰、朱娇与徐舒参与了研发工作。酵母驯化和评估工作得到了诺和新元公司吴文平博士、任海彧博士、里伟博士、Carsten Hjort博士以及杨红艺和Kate Brandon Sutton的协助与指导。安琪酵母公司李志军总监提供了酵母底盘。其中牛瘤胃木糖异构酶编码序列为山东大学鲍晓明教授所发现。“秸酿”高产机制研究得到国家杰出青年科学基金与国家重点研发计划资助。

 

上海交通大学白凤武教授是纤维素乙醇领域知名专家，他评论说："木质纤维素类生物质水解液含有C5和C6混合糖及各种抑制物，高效菌株是利用这种水解液生产目标产品的先决条件。杨晟教授课题组基于代谢工程理性设计和人工施加并不断增强环境胁迫的适应性进化半理性实验操作，成功选育了可以用于工业化生产的酵母工程菌株，不仅对纤维素乙醇生产具有重要意义，而且建立的方法可以指导其他菌株的改造，生产各种生物基产品。无疑，这一研究进展对提高木质纤维素类生物质生物制造产品生产过程的经济性，支撑经济和社会的可持续发展，是一个重要的里程碑。"  

 

中国科学院院士、天津大学元英进教授是酿酒酵母合成生物学专家，他评论说：“纤维素乙醇的产业示范被列入’十四五”生物经济发展规划’，其大规模推广还存在不少挑战，需要针对不同生物质原料的预处理工艺。杨晟研究员的这项工作不仅揭示了稀酸蒸汽爆破这一玉米秸秆预处理工艺对酵母的抑制机理，还提供了一种系统性鉴定复杂原料中抑制成分并如何克服的研究思路，对生物质转化领域有着重要的启迪和借鉴意义。”

 

美国科学院、美国工程院、中国工程院和瑞典皇家科学院等十二院院士延斯•尼尔森（Jens Nielsen）教授是酿酒酵母系统生物学专家，他评论说："在这项令人印象深刻的研究中，晟等人展示了他们如何开发出一种能高效地将戊糖转化为乙醇的工业酵母菌株。通过代谢工程和适应性实验室进化的结合，他们培育出了一株足够强壮的菌株，能够耐受酵母在工业乙醇生产过程中必须忍受的恶劣工业条件。这项工作了不起地展示了如何将不同的技术结合起来，以获得对酵母生理学新机制的认识，同时产出一种工业菌株，并立即应用于一个非常重要的领域，即生物燃料的可持续生产。”

 

相关论文信息：

https://www.nature.com/articles/s41589-024-01771-6