全 文 ：第24卷 第6期
2012年6月
Vol. 24, No. 6
Jun., 2012
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
网络出版时间：2012-4-26 14:15
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/31.1600.Q.20120426.1415.001.html
文章编号：1004-0374(2012)06-0531-04
酵母对木质纤维素酸解物中抑制物的应答及菌株开发
杨雪雪，蒋伶活*
(天津大学药物科学与技术学院，天津 300072)
摘　要：木质纤维素稀酸预处理过程中产生的抑制物会干扰酵母细胞的生长和发酵。根据酵母对抑制物应
答的特点，开发那些能够对抑制物原位脱毒的高耐受性菌株，是生物质乙醇转化工业可持续发展的关键。
综述了木质纤维素稀酸预处理过程中抑制物的产生、分类、对酵母的影响以及酵母对其应答的特点，结合
系统生物学和基因工程方法从酵母耐受的角度探讨了耐受性优势酵母菌株的开发。
关键词：木质纤维素；抑制物；酵母；耐受性
中图分类号：TQ352.1 文献标志码：A
Cellular responses to inhibitory compounds derived from lignocellulose
degradation and development of tolerant strains in yeast
YANG Xue-Xue, JIANG Ling-Huo*
(School of Pharmaceutical Science and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China)
Abstract: Diluted acid pretreatment of lignocellulose for ethanol conversion generates inhibitory compounds that
interfere with yeast cell growth and subsequent fermentation. For the sustainable development of biomass-ethanol
conversion manufacturing, it is of importance to develop more tolerant yeast strains that can detoxify the inhibitors
in situ. This article reviews the generation and classification of the inhibitors and their impacts on yeast cells as well
as the characters of yeast responses to inhibitors, and discusses the development of tolerant yeast strains according
to system biology and genetic engineering methods.
Key words: lignocellulose; inhibitory compounds; yeast; tolerance
收稿日期：2012-03-06； 修回日期：2012-04-05
*通信作者：E-mail: linghuojiang2@yahoo.com.cn
随着环境污染的日益严重以及化石能源的渐趋
枯竭，人类更加迫切地寻求可替代型能源和环境友
好型能源来满足生产生活的需要。生物质能源的开
发和利用可以很好地解决能源危机，因此越来越多
的国家斥巨资进行生物质能源的开发，并将生物质
能源产业化作为一项重要的国家战略来进行推进。
随着科技的发展，利用农业来提供生物质能源的观
念日渐深入人心，早在 20世纪 70年代，北美和巴
西就开始通过发酵农产品来实现燃料乙醇的大规模
工业化生产 [1]，然而当时生产等量乙醇的净成本远
远超过了它的市场售价。后来人们发现，木质纤维
素是可以用来生产燃料乙醇的一种丰富而廉价的原
材料，这些木质纤维素包括农林业废弃物、城市固
体垃圾以及造纸业废弃物等。以木质纤维素为原料
生产的燃料乙醇没有污染且具有可再生性，是最具
应用前景的可替代能源之一。木质纤维素乙醇的生
产过程主要包括：木质纤维素的预处理、木质纤维
素的酶解糖化、微生物的发酵及乙醇的分离。一般
常采用稀酸对木质纤维素进行预处理，然而该过程
中会产生大量的抑制物，这些抑制物会干扰产乙醇
酵母的生长和发酵，从而影响乙醇的生产。如何消
减这种抑制效应是提高乙醇转化效率的重大技术挑
战。在过去的几十年中，人们一直致力于开发那些
能够对抑制物原位脱毒的高耐受性菌株，并且不遗
生命科学 第24卷532
余力地研究其耐受机理，这对于具有价格优势的生
物质乙醇转化工业的发展来说至关重要。
1　木质纤维素稀酸预处理过程中的抑制物
1.1　抑制物的产生及新分类
由于木质纤维素组成复杂、结构致密而较难水
解，因此以木质纤维素为原料生产乙醇需要进行预
处理 (包括物理法、化学法和生物酶法等 )，其中
化学法中的稀酸预处理法反应速率高、过程廉价，
是最经济可行的预处理方式 [2]。然而伴随高温高压
的稀酸预处理过程会产生大量的抑制物，这些抑制
物会影响酵母的乙醇生产能力，从而大大降低乙醇
的生产效率。
起初人们将这些抑制物主要分为三类：呋喃衍
生物、弱酸和酚类化合物。最新的研究则把它们主
要分为四类：(1)醛类：糠醛、HMF(5-羟甲基 -2-
糠醛 )、香草醛等；(2)酮类：对羟基苯乙酮、乙酰
丁香酮等；(3)酚类：苯酚、邻苯二酚、对苯二酚等；
(4)有机酸类：乙酸、甲酸、乙酰丙酸等 [3]。糠醛
和 HMF可分别被酵母转化为低毒的糠醇和 FDM
(呋喃 -2,5-二甲基醇 )[4-7]，这表明引起毒性的功能
基团只是呋喃环上的醛基，而并非呋喃环本身。醛
基功转化为醇的形式可以降低其化学毒性。另外，
大多数呋喃类物质对酵母也都是没有毒性的 [4,6]，
因此应把糠醛和 HMF等呋喃类化合物划归为醛类
抑制物。将抑制物按照化学功能基团分类，有助于
解释脱毒作用的机理 [8]，为将来菌株的开发提供理
论基础。
1.2　抑制物对酵母的影响
大多数酵母 (包括工业用菌株 )都会受到来自
稀酸预处理过程中抑制物的影响 [4]。有文献报道至
少有 100种化合物可能对微生物的发酵产生抑制作
用 [8-9]。
以糠醛和 HMF为代表的醛类化合物会降低细
胞内碳代谢中一些重要酶的生物学活性，会降解
DNA、抑制蛋白和 RNA的合成 [10-11]。即便是较低
浓度的抑制物也会对酵母细胞产生致命的影响 [4]，
从而影响乙醇的产率。酚类化合物对发酵的抑制作
用最强，其中越是低相对分子质量的酚类化合物其
毒性越大 [12]。乙酸是有机酸类抑制物中含量最高
的一类，低浓度的乙酸可以刺激酵母生产乙醇，而
高浓度的乙酸对酵母的抑制作用则非常明显 [13]。
酮类化合物对酵母细胞的具体影响目前尚无明确
结论。
2　酵母对抑制物应答的特点
2.1　酵母对抑制物的应答存在剂量依赖效应
通过向合成培养基中添加一系列浓度梯度的
抑制物，发现酵母的延滞期可以持续几个小时到几
天不等，这说明酵母对抑制物具有剂量依赖效
应 [4,14-15]。接种于添加次致死量抑制物培养基中的
酵母，其细胞生长一旦得到恢复，它们就会利用培
养基中的糖类生产乙醇。所以可以用酵母延滞期的
持续时间来度量其对抑制物不同程度的耐受 [6]。培
养基中被抑致死的酵母细胞检测不出任何代谢活
性，只有适应性的细胞和残存下来的细胞才能生产
乙醇。这表明一些酵母可以适应一定浓度抑制物的
压力，从而有效地抵抗抑制物。在酵母细胞生长恢
复之前，其迟滞期的延长可以看作是一种基因应答，
它描述了细胞适应化学压力的生理转变。
2.2　酵母对抑制物的全基因组水平上的适应性应答
对单基因的研究虽然有助于理解基因的功能以
及基因的调控，但生命是一个复杂的动态系统，这
个系统不是由一个个的独立事件简单地拼凑而成，
而是在一个完整的相互协调的程序下实现其功能
的。早期研究表明，实验用酵母菌株对抑制物的应
答与多种重要基因相关 [16-17]，工业用产乙醇酵母对
糠醛和 HMF的应答也涉及到 100~400个基因的独
立作用或交互协调作用 [18-20]。
目前人们主要利用野生型酵母来研究抑制物压
力下的耐受机理，这种压力的响应涉及到多种基因，
这些基因的功能更是遍布了整个生理途径，主要包
括高渗甘油途径、热应激和转录因子Msn2p/Msn4p
相关途径等 [19-22]。Liu课题组鉴定得到了 62个对糠
醛敏感的基因缺失株，它们所对应的 62个基因的
功能涉及多个生理途径 [23]。Kawahata等 [14]筛选得
到了 46个与乳酸抗性相关的基因、92个与乳酸敏
感相关的基因、52个与乙酸抗性相关的基因、132
个与乙酸敏感相关的基因，这些基因的功能也遍布
整个生理途径。Mira等 [24]对酿酒酵母单倍体基因
缺失株文库进行了筛选，得到了大约 490个与乙酸
耐受相关的基因。Endo等 [25]筛出了 76个与香草
醛耐受相关的基因，这些基因的功能分布也较为广
泛，同时这些基因还与糠醛、弱酸和酚类化合物的
耐受有关，这表明这些基因的功能具有交叉性。
North等 [15]也筛选到了多个与苯化合物耐受相关的
基因。本课题组对酿酒酵母同源二倍体单基因缺失
株文库进行筛选，得到了 163个对糠醛有抗性的菌
杨雪雪，等：酵母对木质纤维素酸解物中抑制物的应答及菌株开发第6期 533
株，它们所对应的 163个基因的功能也遍布整个生
理途径。筛选得到的这些基因都可作为基因工程优
势菌株研发的候选基因，这在一定程度上为抑制物
耐受菌株的开发奠定了理论基础。同时，酵母的耐
受性与多基因的相关也说明了其耐受是一个复杂的
基因组水平上的适应过程。
3　基于酵母耐受的菌株开发
3.1　提高菌株自身性能是经济高效型发酵的关键
工业生产中，发酵的效率和经济性一般依赖于
菌株自身的催化性能，生物乙醇的生产也是这样。
在生产等量乙醇的情况下，耐受性酵母菌株能将稀
酸预处理过程中的代表性抑制物糠醛和 HMF分别
转化为低毒的糠醇和 FDM，从而大大提高酵母的
发酵效率 [5]。所以选育那些能够对抑制物原位脱毒
的高耐受性菌株，对于生物质乙醇转化工业的发展
来说至关重要。尽管现代科技不断进步，并且经过
多年生产实践的应用积累了丰富的经验，但仍有许
多发酵过程没有研究清楚。尤其是生物质乙醇转化
过程中的压力耐受机理，还需要进一步的研究。但
可以肯定的是，提高发酵菌株自身的性能是未来生
物质乙醇高效转化的关键。
3.2　Adaptation的方法可以获得高耐受性酵母菌株
通过对酵母的个别生理途径进行基因操作，可
以提高其对淀粉、乳糖、木糖的利用，还可以提高
酶的活性，从而增强酵母生产乙醇的性能 [26-29]。然
而，酵母对抑制物的耐受是一个复杂的生物学过程，
它涉及到全基因组水平上的整体应答，对单一生理
途径进行基因操作并不能很好地开发高耐受性菌
株。
研究表明，突变和选择可增强酿酒酵母对糠醛
和 HMF的抵抗力，这是一种整体水平上的适应过
程，可以通过这种适应的方法 (Adaptation)来获得
糠醛或 HMF的高耐受性菌株。“Adaptation”是提高
微生物菌株性能行之有效的方法之一。在抑制物存
在的情况下，野生型菌株的迟滞期会延长，而这些
耐受菌株的生长却几乎是正常的 [5]。酵母在迟滞期
会对外界压力有一个适应的过程，一旦进入对数生
长期，酵母就会恢复正常生长 [23]。以上结果说明了
酵母具有进一步提高其对抑制物耐受的内在遗传潜
力。利用耐受酵母菌株对抑制物进行原位脱毒，可
以使得生物乙醇的转化更加高效，从而更具价格优
势。虽然现有的耐受菌株还不能抵抗多种抑制物的
复合物，但也已经是极为珍贵的菌种资源。通过
“Adaptation”的方法得到的耐受性菌株可用于进一
步的基因改造，从而培育出耐受性更强或能耐受更
多抑制物的优势菌株。
4　展望
酵母对木质纤维素稀酸水解液中抑制物的耐
受，涉及到基因组规模上的许多基因的多层次的复
杂的相互作用。虽然单个基因功能的研究是必要的，
但是从整体的角度来看，对关键功能分类中的基因
以及它们之间的相互作用的研究更为重要。为了有
效提高产乙醇酵母的性能，必须研究其耐受机理，
这就必须引入系统生物学的方法，比如基因组学、
蛋白质组学、代谢物组学等。在最新的酵母数据库
的帮助下，我们可以很容易地获得酵母全面的转录
信息，并加以深入研究以了解其对抑制物压力耐受
的复杂性。近年来的转录物组学和蛋白质组学研究
指出，这种压力应答还与 DNA修复、氧化胁迫、
渗透胁迫和盐胁迫等重要途径相关 [19, 21-22]。对其中
重要的调节网络进行研究，将有助于进一步理解其
对抑制物耐受的分子机理，从而更好的进行耐受性
产乙醇酵母菌株的开发。另外，对抑制物功能基团
的研究和对结构与功能相互作用研究方法的应用，
也可以使我们更好地理解酵母的耐受和脱毒机理，
为今后优势菌株的开发奠定基础。
[参　考　文　献]
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