最新研究：酵母“吃”什么長得好？答案是“木頭”？

出品：科普中國

作者：Denovo團(tuán)隊(duì)

監(jiān)制：中國科普博覽

酵母是我們生活中最為熟悉的微生物之一，蒸饅頭和烤面包用面包酵母，釀造啤酒用啤酒酵母。除此之外，還有很多稀奇古怪的酵母，比如能夠“吃”甲醇高產(chǎn)蛋白的酵母（如巴斯德畢赤酵母），以及“吃”木糖瘋狂長身體的酵母（如多形漢遜酵母）。

未來還會(huì)產(chǎn)生有更多功能的新酵母嗎？科學(xué)家們的回答是：當(dāng)然！

酵母就是一個(gè)細(xì)胞工廠

在了解科學(xué)家如何“創(chuàng)造”更多新酵母之前，我們先來看看酵母是怎么“工作”的。

面包酵母和啤酒酵母雖然都屬于釀酒酵母，但面包酵母的特長是“吃糖產(chǎn)氣”，產(chǎn)生的二氧化碳使饅頭或面包多孔、松軟；而啤酒酵母的特長是“吃糖產(chǎn)酒精”，當(dāng)然還會(huì)產(chǎn)生其他少量香氣成分，從而使酒水具有各種風(fēng)味。

干酵母（圖片來源：Veer圖庫）

我們以釀酒酵母“吃葡萄糖產(chǎn)乙醇”為例，把酵母看作一個(gè)工廠，葡萄糖就是原料，原料運(yùn)輸?shù)焦S（也就是酵母細(xì)胞內(nèi)），在不同“車間”中加工，一步一步轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品——乙醇和二氧化碳。

酵母細(xì)胞（圖片來源：Veer圖庫）

我們目前所擁有的酵母雖然品種多樣，但我們還想要擁有功能多樣且具有高性能的酵母。

要想擁有更多種類的酵母，重點(diǎn)就在于改造“工廠”?？蒲泄ぷ髡呦氲降霓k法就是基因編輯。改變酵母工廠的設(shè)計(jì)圖紙（酵母細(xì)胞的基因序列），從而改造工廠布局，然后根據(jù)新圖紙調(diào)整“車間”的數(shù)量和功能。

基因編輯相當(dāng)于使用一把自帶導(dǎo)航功能的剪刀，可以根據(jù)人為設(shè)定，精確地在酵母染色體的相應(yīng)位置切出一個(gè)缺口，然后通過目標(biāo)DNA序列修復(fù)缺口，從而達(dá)到基因編輯的作用。

基因工程師對基因進(jìn)行人為修改（圖片來源：Veer圖庫）

很多科學(xué)家做酵母方面的研究，如美國科學(xué)院院士Jay Keasling教授團(tuán)隊(duì)通過改造釀酒酵母，合成了抗瘧疾藥物青蒿素的前體——青蒿酸，為全球范圍內(nèi)治療瘧疾作出重要貢獻(xiàn)，也證明了酵母“大有所為”。

酵母：去整點(diǎn)葡萄糖來吃吃

我們在上面的例子里提到的酵母，都是在“吃”了葡萄糖之后才開始發(fā)揮作用的，葡萄糖是酵母最喜歡“吃”的“食物”。

然而，葡萄糖主要來源于糧食，把葡萄糖給酵母“吃”意味著酵母會(huì)與人爭糧食。有什么辦法可以在不減少糧食的情況下“喂飽”酵母呢？

這就是科學(xué)家們正在考慮的問題。

近年來，國家鼓勵(lì)大力發(fā)展非糧生物質(zhì)資源，其中就包含木質(zhì)纖維素。

雖然“木質(zhì)纖維素”這一名詞聽起來可能有些陌生，但它是一種非常普遍且易于獲取的物質(zhì)，是木材和農(nóng)作物秸稈的主要結(jié)構(gòu)組成部分。它是一個(gè)復(fù)雜而多元的“大家庭”，主要由三個(gè)關(guān)鍵元素構(gòu)成。

纖維素是葡萄糖組成的“大個(gè)頭”多糖，植物細(xì)胞壁的主要成分，是自然界中分布最廣、含量最豐富的多糖之一；半纖維素是多種不同類型的單糖構(gòu)成的“聚合體”,它在細(xì)胞之間形成了一種堅(jiān)固的纖維狀網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞之間的緊密連接；木質(zhì)素則是構(gòu)成植物細(xì)胞壁的成分之一，它作為纖維的“支架”強(qiáng)化了整個(gè)木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)。

木質(zhì)纖維素是一種極具價(jià)值的天然可再生資源，具有廣泛的應(yīng)用潛力，可以作為生物發(fā)酵、生物化工的原料。

是的，它可以是酵母的營養(yǎng)來源。

一種堅(jiān)固、可生物降解和可回收的木質(zhì)纖維素生物塑料（圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]）

然而，由于其結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，很難被直接利用。因此，需要通過特定的處理方式，例如使用強(qiáng)酸或強(qiáng)堿，來分解纖維素和半纖維素為其基礎(chǔ)單糖成分（如葡萄糖和木糖），這些基礎(chǔ)單糖就可以被某些酵母直接利用了。

不過，這并不是說現(xiàn)在培養(yǎng)酵母就可以完全舍棄糧食而使用木質(zhì)纖維素，原因主要在于木質(zhì)纖維素需要水解變?yōu)閱翁遣拍転榻湍杆?，而制備水解液的成本還是比較高的，并且水解液中除了主要成分葡萄糖和木糖外，還有一些抑制物成分（如糠醛、呋喃等），對酵母生長具有一定的抑制作用。所以，目前利用木質(zhì)纖維素水解液進(jìn)行微生物發(fā)酵并未得到廣泛應(yīng)用。

“一箭三雕”喂飽酵母

酵母最愛“吃”葡萄糖，當(dāng)葡萄糖和木糖同時(shí)存在時(shí)，酵母優(yōu)先吃葡萄糖，等葡萄糖吃完才會(huì)吃木糖，這就使得酵母利用木質(zhì)纖維素水解液的速度比較慢。

如何能讓酵母高效利用木質(zhì)纖維素水解液呢？

近期，中國科學(xué)院周雍進(jìn)研究員團(tuán)隊(duì)通過基因工程改造了多形漢遜酵母，在不影響葡萄糖消化速度的前提下，加強(qiáng)了酵母對木糖的吸收和消化速度，從而實(shí)現(xiàn)了葡萄糖和木糖的同步利用，提高了多形漢遜酵母對于木質(zhì)纖維素水解液的利用效率，并通過改造多形漢遜酵母合成了脂肪酸和3-羥基丙酸。

中國科學(xué)院實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素生物煉制高效合成脂肪酸和3-羥基丙酸（圖片來源：中國科學(xué)院周雍進(jìn)研究員團(tuán)隊(duì)）

相比可以形成油脂的脂肪酸，3-羥基丙酸這個(gè)詞對我們來說比較陌生。

其實(shí)，3-羥基丙酸可以作為很多化學(xué)品的原料，例如3-羥基丙酸可以聚合為聚-3-羥基丙酸，它作為可降解塑料，如果大量使用可以緩解“白色污染”；3-羥基丙酸還可以脫水形成丙烯酸，進(jìn)一步可以制備成丙烯酸樹脂，而丙烯酸樹脂就是裝修涂料和油漆的主要成分，這些都與我們的生活密切相關(guān)。

多形漢遜酵母利用木質(zhì)纖維素原料高效合成脂肪酸和3-羥基丙酸示意圖（圖片來源：中國科學(xué)院周雍進(jìn)研究員團(tuán)隊(duì)）

我國科學(xué)家通過木質(zhì)纖維素生物煉制生產(chǎn)脂肪酸和3-羥基丙酸，木質(zhì)纖維素作為非糧生物質(zhì)，與傳統(tǒng)的葡萄糖生物煉制相比，能夠避免“與人爭糧”，而且減少秸稈、廢木材直接燃燒造成的大氣污染，可謂“一箭三雕”。

結(jié)語

酵母細(xì)胞工廠在科學(xué)研究中顯示出了極高的應(yīng)用價(jià)值，科學(xué)家通過精準(zhǔn)的基因編輯技術(shù)改造酵母，合成了一系列高附加值產(chǎn)品，如生物燃料、精細(xì)化學(xué)品、香料和食品添加劑等。然而傳統(tǒng)的以葡萄糖為原料的生物煉制可能出現(xiàn)與人爭糧的困境，為了應(yīng)對這一困境，改造后的酵母能夠有效利用木質(zhì)纖維素水解液中的葡萄糖和木糖，同時(shí)也響應(yīng)國家發(fā)展非糧生物質(zhì)的號召。

實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)展示了通過改造多形漢遜酵母利用葡萄糖和木糖合成脂肪酸和3-羥基丙酸可行性，證明了木質(zhì)纖維素生物煉制的巨大潛力。隨著科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界不懈努力，未來木質(zhì)纖維素將被廣泛應(yīng)用于更多產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，為我國生物化工產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。

參考文獻(xiàn)：

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