微生物分工产生更高的生物燃料产量

科学家们找到了一种通过酵母发酵来提高乙醇产量的方法，这是将植物糖转化为生物燃料的标准方法。他们的方法在《自然通讯》杂志上进行了详细介绍 ，该方法依赖于合成酵母菌株之间的仔细计时和严格分工，以比以前的方法生产更多的每单位植物糖乙醇。

“我们构建了一个人工微生物群落，由两种工程酵母菌株组成：一种是葡萄糖专家，一种是木糖专家，”伊利诺伊大学香槟分校食品科学和人类营养学教授 Yong-Su Jin 说，他是该项目的共同领导者。伊利诺伊大学生物工程教授 Ting Lu 的最新研究。“我们研究了混合两种酵母菌群的时间以及两种酵母菌群混合的比例如何影响纤维素乙醇的生产。”

博士后研究员 Jonghyeok Shin 和博士 Siqi Lao 伊利诺伊大学生物物理学和定量生物学中心的学生完成了这项工作。

葡萄糖和木糖是从农业废物等植物生物质分解中获得的两种最丰富的糖。该团队试图克服使用酵母将这些植物糖转化为乙醇时出现的常见问题。在野外，我们感兴趣的酵母菌株酿酒酵母更喜欢葡萄糖，但缺乏代谢木糖的能力。其他科学家利用基因工程改造酵母，使其也消耗木糖，但这些工程菌株仍然更喜欢葡萄糖，从而降低了其乙醇生产的整体效率。

一些科学家认为，微生物群落各有其特殊功能，比单一的、高度工程化的菌株更有效地运作。

“我的团队致力于合成微生物群落的设计、分析和工程。金的实验室专门研究酵母代谢工程和生物燃料生产，”卢说。

“我们互补的专业知识使我们能够测试酵母之间的分工方法是否可以在生物燃料生产中发挥良好作用。”

研究人员进行了一系列实验，测试了两种专业酵母菌株的使用情况。他们改变了将不同菌株添加到糖混合物中的顺序以及每次添加的时间。

“我们还研究了两种群体混合的比例，以确定它们对快速有效生产纤维素乙醇的影响，”金说。

该团队还开发了一个数学模型，可以准确预测酵母的性能和乙醇产量。

“我们利用实验数据来训练我们的数学模型，使其能够捕捉典型的生态系统行为，”卢说。“然后该模型被用来预测最佳发酵条件，随后通过相应的实验进行验证。”

研究人员发现，首先将木糖发酵酵母专家添加到混合物中，然后在 14 至 29 小时后添加葡萄糖专家，可显着提高乙醇产量，使产量增加一倍以上。

作者写道：“这项研究证明了生物加工中劳动分工的功能潜力，并为各种应用的工程生态系统的合理设计提供了见解。”

Yong-Su Jin 和 Ting Lu 也是伊利诺伊大学 Carl R. Woese 基因组生物学研究所生物系统设计主题的教授。Jonghyeok Shin 现在是韩国生物科学与生物技术研究所的科学家。