燃料乙醇的生产和应用因其在经济发展和战略安全上的重大意义,越来越受到各国政府的重视。自然界中含有丰富的植物纤维资源,而目前只有3-4%的植物纤维资源被有效地利用。木糖是木质纤维素水解物中含量仅次于葡萄糖的一种单糖,在利用葡萄糖的同时,利用木糖发酵生产乙醇将有助于充分利用木质纤维素资源,降低乙醇生产成本。 酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是传统上食品及化工工业的最佳生产菌株,在工业生产中有上百年的酒精发酵应用历史,具有乙醇产量高、抗逆性强等许多优良特性,是酿酒工业生产的首选菌株。酿酒酵母菌缺乏有效转化木糖生成木酮糖的酶而不能利用木糖,但能利用木糖的异构体形式——木酮糖。 自然界中由木糖转化为木酮糖的代谢途径有两条:其一,主要在某些酵母及丝状真菌中,木糖经木糖还原酶(xylose reductase,XR)催化生成木糖醇,然后由木糖醇脱氢酶(xylitol dehydrogenase,XDH)作用生成木酮糖,XR和XDH分别需要NADPH和NAD~+作为辅酶。其二,在某些细菌和低等真菌中,木糖通过木糖异构酶(xylose isomerase,XI)催化,直接转化为木酮糖。木酮糖经过木酮糖激酶(xylulokinase,XK)磷酸化生成5-磷酸木酮糖,从而进入磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway,PPP)。 通过代谢工程(metabolic engineering)手段,包括本试验室在内的多个工作小组已经分别在酿酒酵母中表达Pichia stipitis来源的木糖还原酶基因XYL1和木糖醇脱氢酶基因XYL2,Thermus thermophilus来源的木糖异构酶基因xylA。在酿酒酵母中建立自然界存在的两种木糖代谢途径,即,木糖还原酶—木糖醇脱氢酶(XR-XDH)途径和木糖异构酶(XI)途径。由于具有XR-XDH途径或者XI途径的重组酿酒酵母木糖利用率低且发酵副产物木糖醇产生量较高,因而需要对代谢途径下游进行疏通。同时,由于在自然界中酿酒酵母本身不利用木糖,因此,其运输系统向细胞内运输木糖的能力也不能满足利用木糖发酵生产乙醇的需要。本文的主要研究内容在此基础上开展。 木酮糖激酶(XK)催化木酮糖磷酸化形成5-磷酸木酮糖,是木糖代谢的限速步骤之一,处于木糖代谢物进入磷酸戊糖途径(PPP)的节点位置。超表达酿酒酵母自身的木酮糖激酶基因XKS1可以加速木糖代谢流,提高酿酒酵母的木糖利用率和乙醇得率。