“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，”麻省理工学院Willard Henry Dow化学工程教授Gregory Stephanopoulos说。
麻省理工学院和怀特黑德生物医学研究所的Stephanopoulos及其同事已经确定了一种通过简单改变酵母生长培养基的组成来提高酵母对乙醇的耐受性的新方法。他们在今天的“ 科学 ”杂志上报道了他们认为可能对工业生物燃料生产产生重大影响的研究结果。
乙醇和其他醇类可以破坏酵母细胞膜，最终杀死细胞。麻省理工学院的研究小组发现，在酵母生长的培养基中加入钾和氢氧根离子可以帮助细胞补偿这种膜损伤。通过进行这些改变，研究人员能够将酵母的乙醇产量提高约80%。他们还表明，这种方法适用于商业酵母菌株和其他类型的醇，包括丙醇和丁醇，它们对酵母毒性更大。
“我们越了解分子为何具有毒性，以及使这些生物体具有更高耐受性的方法，人们就会越多地了解如何攻击其他更严重的毒性问题，”Stephanopoulos说道，他是该组织的高级作者之一。科学论文。
麻省理工学院生物学教授，怀特黑德研究所成员，以及该论文的另一位资深作者杰拉尔德芬克补充说：“这项工作对于从糖中挤出最后一滴乙醇还有很长的路要走。” Postdoc Felix Lam是该论文的主要作者，研究生Adel Ghaderi也为该研究做出了贡献。
加强细胞防御
该研究小组开始在这个项目中寻找一种基因或一组基因，这些基因可被操纵以使酵母更耐受乙醇，但这种方法并没有取得多大成功。然而，当研究人员开始尝试改变酵母生长的培养基时，他们发现了一些显着的结果。
通过用氯化钾增加酵母的环境，并用氢氧化钾提高pH值，研究人员能够大大提高乙醇的产量。他们还发现这些变化并不影响酵母生产乙醇的生化途径：只要它们保持活力，酵母就以相同的每细胞速率继续产生乙醇。相反，这些变化影响了它们的电化学膜梯度 - 膜内外的离子浓度的差异，这产生了细胞可以利用的能量来控制各种分子进出细胞的流动。
乙醇增加了细胞膜的孔隙率，使细胞很难维持其电化学梯度。增加细胞外的钾浓度和pH值有助于它们增强梯度并延长寿命; 它们存活的时间越长，它们产生的乙醇就越多。
“通过加强这些梯度，我们为酵母提供能量，使它们能够承受更恶劣的条件并继续生产。对我们来说，令人兴奋的是，这可以应用于乙醇以外的更先进的生物燃料醇，以同样的方式扰乱细胞膜，”Lam说。
研究人员发现，通过设计酵母细胞以表达更多的钾和质子泵，它们也可以延长生存期，但不是那么多，钾和质子泵位于细胞膜中并泵入钾和质子。
工业相关性
在酵母开始生产乙醇之前，原料(通常是玉米)必须分解成葡萄糖。麻省理工学院新研究的一个重要特征是研究人员在非常高的葡萄糖浓度下进行了实验。虽然许多研究已经研究了在低葡萄糖水平下提高乙醇耐受性的方法，但MIT团队使用的浓度约为每升300克，与工业生物燃料发酵罐中的浓度相似。
“如果你真的想要相关，你必须达到这些水平。否则，你在低乙醇水平下学到的东西不太可能转化为工业生产，”Stephanopoulos说。
在最近的实验中，麻省理工学院的研究人员使用这种方法来提高乙醇生产率甚至高于科学论文中的报道。他们还在努力使用这种方法来提高各种工业原料的乙醇产量，因为起始化合物本身对酵母有毒，现在产量很低。
