酵母对于通过发酵生产乙醇至关重要，但多年来，生物燃料的生产一直受到热量和乙醇本身在高浓度下可能对酵母产生致命或损害性影响的限制。
最近，瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学和麻省理工学院的研究人员找到了改善这两个生产问题的方法。他们昨天在科学杂志上发表了他们的 研究。
查尔姆斯理工大学系统生物学教授 Jens Nielsen 是对提高酵母耐热性感兴趣的研究人员之一。
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找到一种使酵母更好地耐受热量的方法将降低乙醇生产成本。使用目前的工业酵母菌株，乙醇生产商必须将酵母发酵冷却至 30 摄氏度（86 华氏度）。虽然这可能是酵母的最佳温度，但对于生产者来说却不是。分解糖和淀粉所需的酶在 40 摄氏度（104 华氏度）左右工作得更好，而冷却过程会增加生产成本。
Nielsen 和他的同事们没有试图操纵参与耐热性的特定基因，而是使用了一种称为适应性实验室进化的过程。
“我们说，‘为什么我们不尝试采用自然的方法，尝试对此进行进化呢？’”他说。
他们将三种含有多种酵母菌株的酵母培养物暴露在 40 摄氏度左右的温度下较长时间，并观察出现了哪些基因变化。
三个月和 300 多代之后，酵母突然开始在所有较高温度的培养物中良好生长。
“这真的是达尔文的适者生存。我们发现了相当多的新突变，”Nielsen 说。
在不同的耐热菌株中，唯一一致的突变是单点突变，它在细胞膜中产生了一种不同的甾醇，称为粪甾醇。
“一项非常新颖的发现”
通常，细胞膜含有麦角甾醇，类似于人类和动物细胞中发现的胆固醇。与麦角甾醇不同，粪甾醇具有弯曲的形状，类似于保护某些类型的细菌和植物免受较高温度影响的类甾醇分子。更重要的是，根据 Nielsen 的说法，产生粪甾醇的突变是可遗传的，并且似乎对酵母的生长或繁殖能力没有任何负面副作用。
“这是一项非常新颖的发现，”他说。“我们还可以将这种特性转移到工业酵母菌株中，并将其用于大规模乙醇生产。”
在横跨大西洋的麻省理工学院和怀特海生物医学研究所，第二组研究人员一直在研究使酵母更耐乙醇的方法。
研究人员发现，通过在培养酵母的培养基中添加氯化钾和氢氧化钾，他们可以提高其酒精耐受性，并延长单个细胞产生乙醇的时间。
麻省理工学院化学工程教授、该研究的作者之一 Gregory Stephanopoulos 表示，通过这样做，研究人员将他们生产的乙醇浓度提高了约 80%。
“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，”他说。
酒精耐受性的提高可以追溯到培养基对细胞膜上电化学膜梯度的影响。当酵母细胞暴露于大量乙醇时，酒精会使细胞膜更具多孔性。当培养基用氯化钾和氢氧化钾增强时，质子泵和钾泵能够更好地补偿细胞膜的损伤。
根据该研究，不仅如此，酵母还能够消耗所有可用的葡萄糖。
潜在的生产节省
研究人员在多种酵母菌株上测试了该培养基。
“这种效果在工业菌株和实验室菌株中同样强烈，并且效果几乎相同，”Stephanopoulos 说。
当研究人员提高与钾泵和质子泵相关的基因的表达时，电化学梯度得到进一步增强。
他们根据之前的研究结果提出了改变酵母培养基的想法，之前的研究表明，更耐热的酵母磷酸盐相关基因的表达更高。当他们将磷酸钾引入他们正在培养酵母的培养基中时，当他们比较乙醇产量时，他们看到了“非凡的结果”。
最初，尚不清楚是钾还是磷酸盐在驱动产量的增加。最终，研究人员发现，添加的钾增强了细胞膜的钾泵，而磷酸盐则提高了培养基的 pH 值。
结果扩展到其他对酵母也有毒性的醇类。
“我们越了解分子为何有毒以及使这些生物体更耐受的方法，人们就越能获得关于如何解决其他更严重的毒性问题的想法，”Stephanopoulos 说。
Stephanopoulos 的实验室目前正在尝试在不同类型的培养基中培养酵母，以观察他们是否可以进一步降低乙醇和其他醇类的毒性影响。
两所大学的研究人员都相信，他们的研究结果可以从实验室转移到商业乙醇生产中。根据能源信息署的数据，这反过来可能会为美国乙醇燃料行业节省成本，该行业在 2013 年生产了 133 亿加仑乙醇，今年上半年生产了 70 亿加仑。
Nielson 说，这两种方法甚至可以结合使用，以创建一种既耐热又耐酒精的酵母菌株。
“这两种方法可以很容易地结合起来；我看不到将这两种方法结合起来有任何技术障碍，”他说。
经 Environment & Energy Publishing, LLC. 许可，转载自 Climatewire。www.eenews.net, 202-628-6500