Baker’s yeast (Saccharomyces cerevisiae) is used to produce much of the world’s biofuel through the fermentation of sugars and starches into ethanol. But at high concentrations, ethanol is toxic to yeast, as is the heat the microbes produce throughout fermentation. Researchers have discovered cellular mechanisms that can substantially improve yeast’s survival in the presence of heat and alcohol, according to two papers published today (October 2) in Science by separate groups of researchers. These new insights could pave the way for genetically engineering more hardy strains for biofuel production.
Each group independently identified a different process that confers substantially increased tolerance in yeast. “The findings are a little bit unexpected, because we thought it was a complex problem,” said Huimin Zhao, a metabolic engineer and synthetic biologist at the University of Illinois at Urbana-Champaign who was not involved in either study. “The solution turns out to be very simple.”
“They’re [doing] really good underpinning work,” said Jim McMillan, the chief engineer at the National Renewable Energy Laboratory’s National Bioenergy Center in Golden, Colorado, who also was not involved in the research. “We’ll see how much of it can be leveraged into practical outcomes.”
Increasing alcohol tolerance has been a long-term goal of metabolic engineers, according to MIT’s Gregory Stephanopoulos, a coauthor of the paper on alcohol tolerance. Stephanopoulos and his colleagues started out screening for combinations of mutations that could confer increased tolerance. But it was not until they began to experiment with adding salts to their yeast cultures that they hit upon a single process that could dramatically increase yeast survival in the presence of alcohol.
When the researchers added various potassium salts to their cultures and raised the pH, the yeast produced 80 percent more ethanol. This was because cultures with the salts contained more live yeast, not because individual microbes were being more productive, the researchers showed.
Stephanopoulos’s team hypothesized that adding the salts helps the yeast maintain opposing potassium and proton gradients across their membranes. These gradients are normally disrupted by high ethanol concentrations. Alcohols can puncture these membranes and, as a result, disrupt the yeast’s intracellular pH and potassium concentration.
Because adding large amounts of salt to yeast cultures may not be affordable or practical in an industrial setting, the researchers also engineered yeast to overexpress proton and potassium pumps. This increased ethanol production, but to a lesser extent than adding salts did.
The findings “increase our understanding of what may be happening that makes a compound toxic and another nontoxic,” said Stephanopoulos. “As we understand more about these processes, it will make it easier to devise methods that will allow the microbes to tolerate the toxicity.”
Because researchers are also working to engineer yeast and bacteria that can be used to produce biofuel at higher temperatures, increasing the microbes’ tolerance for ethanol and other alcohols is essential: as temperatures rise, alcohol is increasingly toxic to yeast.
A second group of researchers, led by Jens Nielsen of Chalmers University of Technology in Gothenburg, Sweden, focused on yeast heat tolerance. Currently, yeast are most productive at 30° C (86° F). However, higher temperatures would have many benefits for biofuel production. At present, biofuel producers must use energy to constantly cool down their yeast, since the yeast generate heat as they ferment sugars.
Higher temperatures could also decrease contamination of fermentation tanks by other microbes and speed various enzymatic processes used to break down plants being used for biofuels. This would be particularly beneficial for researchers producing biofuels from lignocellulosic materials, such as prairie grasses and crop waste.
Heating up an organism has multiple effects, from disrupting membranes, to interfering with protein folding and affinities. “It’s very difficult to find out what should be engineered in order to improve the tolerance to higher temperatures,” said Nielsen.
So he and his colleagues decided to challenge three populations of yeast by growing them at around 40° C (104° F) to see if they would evolve mechanisms to tolerate the heat. After several hundred generations, the researchers selected strains from each yeast population and sequenced their genomes.
The chosen yeast showed multiple mutations, but one was shared among all of them: a nonsense mutation at ERG3. This gene encodes the c-5 sterol desaturase enzyme, which is involved in making ergosterol, a molecule that affects the fluidity of cell membranes. The sterol composition of the mutant yeast was different than that of wild-type strains, the researchers found.
The yeast had also accumulated mutations that make it more costly to grow them, so the researchers engineered wild-type strains to have just the ERG3 mutation. These genetically engineered yeast were able to thrive at 40° C.
“It was quite surprising we could nail it down to a single point mutation . . . as the key driver for this adaptation,” said Nielsen.
However, Zhao cautions that even 40° C is a relatively low temperature; temperatures of 50° C (122° F) or 60° C (140° F) would be most desirable, particularly for producing biofuels from lignocellulosic biomass.
Nielsen said that his team tried and failed to get yeast to thrive at higher temperatures. He hypothesized that stabilizing the cell membrane is sufficient to get yeast to grow at 40° C, but that a more intensive set of changes may be necessary to stabilize proteins at higher temperatures.
It is unlikely that yeast will ever be useful at truly high temperatures above 60° C, according to Zhao. “They are very interesting scientific discoveries,” he said. “We have not solved the real industrial problem yet . . . The temperatures are not high enough. For ethanol tolerance, there is still room for further improvements.”
L. Caspeta et al., “Altered sterol composition renders yeast thermotolerant,” Science, 346: 75-8, 2014.
F.H. Lam et al., “Engineering alcohol tolerance in yeast,” Science, 346: 71-5, 2014.
Baker’s yeast (Saccharomyces cerevisiae) is used to produce much of the world’s biofuel through the fermentation of sugars and starches into ethanol. But at high concentrations, ethanol is toxic to yeast, as is the heat the microbes produce throughout fermentation. Researchers have discovered cellular mechanisms that can substantially improve yeast’s survival in the presence of heat and alcohol, according to two papers published today (October 2) in Science by separate groups of researchers. These new insights could pave the way for genetically engineering more hardy strains for biofuel production.
Each group independently identified a different process that confers substantially increased tolerance in yeast. “The findings are a little bit unexpected, because we thought it was a complex problem,” said Huimin Zhao, a metabolic engineer and synthetic biologist at the University of Illinois at Urbana-Champaign who was not involved in either study. “The solution turns out to be very simple.”
“They’re [doing] really good underpinning work,” said Jim McMillan, the chief engineer at the National Renewable Energy Laboratory’s National Bioenergy Center in Golden, Colorado, who also was not involved in the research. “We’ll see how much of it can be leveraged into practical outcomes.”
Increasing alcohol tolerance has been a long-term goal of metabolic engineers, according to MIT’s Gregory Stephanopoulos, a coauthor of the paper on alcohol tolerance. Stephanopoulos and his colleagues started out screening for combinations of mutations that could confer increased tolerance. But it was not until they began to experiment with adding salts to their yeast cultures that they hit upon a single process that could dramatically increase yeast survival in the presence of alcohol.
When the researchers added various potassium salts to their cultures and raised the pH, the yeast produced 80 percent more ethanol. This was because cultures with the salts contained more live yeast, not because individual microbes were being more productive, the researchers showed.
Stephanopoulos’s team hypothesized that adding the salts helps the yeast maintain opposing potassium and proton gradients across their membranes. These gradients are normally disrupted by high ethanol concentrations. Alcohols can puncture these membranes and, as a result, disrupt the yeast’s intracellular pH and potassium concentration.
Because adding large amounts of salt to yeast cultures may not be affordable or practical in an industrial setting, the researchers also engineered yeast to overexpress proton and potassium pumps. This increased ethanol production, but to a lesser extent than adding salts did.
The findings “increase our understanding of what may be happening that makes a compound toxic and another nontoxic,” said Stephanopoulos. “As we understand more about these processes, it will make it easier to devise methods that will allow the microbes to tolerate the toxicity.”
Because researchers are also working to engineer yeast and bacteria that can be used to produce biofuel at higher temperatures, increasing the microbes’ tolerance for ethanol and other alcohols is essential: as temperatures rise, alcohol is increasingly toxic to yeast.
A second group of researchers, led by Jens Nielsen of Chalmers University of Technology in Gothenburg, Sweden, focused on yeast heat tolerance. Currently, yeast are most productive at 30° C (86° F). However, higher temperatures would have many benefits for biofuel production. At present, biofuel producers must use energy to constantly cool down their yeast, since the yeast generate heat as they ferment sugars.
Higher temperatures could also decrease contamination of fermentation tanks by other microbes and speed various enzymatic processes used to break down plants being used for biofuels. This would be particularly beneficial for researchers producing biofuels from lignocellulosic materials, such as prairie grasses and crop waste.
Heating up an organism has multiple effects, from disrupting membranes, to interfering with protein folding and affinities. “It’s very difficult to find out what should be engineered in order to improve the tolerance to higher temperatures,” said Nielsen.
So he and his colleagues decided to challenge three populations of yeast by growing them at around 40° C (104° F) to see if they would evolve mechanisms to tolerate the heat. After several hundred generations, the researchers selected strains from each yeast population and sequenced their genomes.
The chosen yeast showed multiple mutations, but one was shared among all of them: a nonsense mutation at ERG3. This gene encodes the c-5 sterol desaturase enzyme, which is involved in making ergosterol, a molecule that affects the fluidity of cell membranes. The sterol composition of the mutant yeast was different than that of wild-type strains, the researchers found.
The yeast had also accumulated mutations that make it more costly to grow them, so the researchers engineered wild-type strains to have just the ERG3 mutation. These genetically engineered yeast were able to thrive at 40° C.
“It was quite surprising we could nail it down to a single point mutation . . . as the key driver for this adaptation,” said Nielsen.
However, Zhao cautions that even 40° C is a relatively low temperature; temperatures of 50° C (122° F) or 60° C (140° F) would be most desirable, particularly for producing biofuels from lignocellulosic biomass.
Nielsen said that his team tried and failed to get yeast to thrive at higher temperatures. He hypothesized that stabilizing the cell membrane is sufficient to get yeast to grow at 40° C, but that a more intensive set of changes may be necessary to stabilize proteins at higher temperatures.
It is unlikely that yeast will ever be useful at truly high temperatures above 60° C, according to Zhao. “They are very interesting scientific discoveries,” he said. “We have not solved the real industrial problem yet . . . The temperatures are not high enough. For ethanol tolerance, there is still room for further improvements.”
L. Caspeta et al., “Altered sterol composition renders yeast thermotolerant,” Science, 346: 75-8, 2014.
F.H. Lam et al., “Engineering alcohol tolerance in yeast,” Science, 346: 71-5, 2014.
การแปล กรุณารอสักครู่..
เบเกอร์ยีสต์ ( Saccharomyces cerevisiae ) ถูกใช้เพื่อผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพของโลกผ่านการหมักของน้ำตาลและแป้งในเอทานอล แต่ที่ความเข้มข้นสูง เอทานอลเป็นพิษกับยีสต์เป็นจุลินทรีย์ที่ผลิตความร้อนตลอดการหมักนักวิจัยได้ค้นพบกลไกการโทรศัพท์มือถือที่สามารถช่วยเพิ่มการรอดชีวิตของยีสต์ในการปรากฏตัวของความร้อนและแอลกอฮอล์ ตามสองเอกสารเผยแพร่วันนี้ ( 2 ตุลาคม ) ในวิทยาศาสตร์ โดยแยกกลุ่มของนักวิจัย ข้อมูลเชิงลึกใหม่เหล่านี้อาจปูทางสำหรับพันธุกรรม Hardy มากกว่าสายพันธุ์สำหรับการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ .
แต่ละกลุ่มอิสระระบุกระบวนการที่เกี่ยวข้องแตกต่างกันอย่างมากเพิ่มความอดทนในยีสต์ " ข้อมูลนิด ๆหน่อย ๆที่ไม่คาดคิด เพราะเราคิดว่ามันเป็นปัญหาที่ซับซ้อน กล่าวว่า huimin เจา การเผาผลาญอาหารสังเคราะห์วิศวกรและนักชีววิทยาที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ Urbana Champaign ที่ไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษา ทำไม " ทางออกจะเปิดออกจะง่ายมาก"
" พวกเขา [ ทำ ] เก่งหนุนงาน " จิม McMillan หัวหน้าวิศวกรที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติพลังงานทดแทนแห่งชาติของศูนย์พลังงานในโกลเดน , โคโลราโด , ผู้ที่ยังไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัย " เราจะดูว่ามันสามารถ leveraged ในผลการปฏิบัติ "
เพิ่มแอลกอฮอล์ความอดทนมีเป้าหมายระยะยาวของวิศวกรสลายตามด้วยของเกรกอรี Stephanopoulos , ผู้เขียนร่วมของกระดาษทนแอลกอฮอล์ Stephanopoulos และเพื่อนร่วมงานของเขาเริ่มออกการรวมกันของการกลายพันธุ์ที่อาจให้เพิ่มความอดทนแต่มันไม่ได้จนกว่าพวกเขาจะเริ่มทดลองกับการเพิ่มเกลือให้ยีสต์วัฒนธรรมของพวกเขาที่พวกเขาตีเมื่อกระบวนการเดียวที่สามารถเพิ่มการรอดชีวิตของยีสต์ในการปรากฏตัวของแอลกอฮอล์
เมื่อนักวิจัยเพิ่มเกลือโพแทสเซียมต่างวัฒนธรรมของพวกเขาและทำให้ pH , ยีสต์ผลิต 80 เปอร์เซ็นต์เอทานอลมากขึ้นนี้เป็นเพราะวัฒนธรรมกับเกลือที่มีอยู่ยีสต์สดมากขึ้น ไม่ใช่เพราะจุลินทรีย์แต่ละตัวถูกผลิตขึ้น นักวิจัยพบ
Stephanopoulos ทีมตั้งสมมติฐานว่า การเพิ่มเกลือช่วยให้ยีสต์รักษาโพแทสเซียมและโปรตอนของฝ่ายตรงข้ามไล่ผ่านเยื่อ การไล่ระดับสีเหล่านี้โดยปกติจะหยุดชะงักโดยปริมาณเอทานอลสูงแอลกอฮอล์สามารถเจาะเยื่อเหล่านี้ และ ผล ทำให้เซลล์ของยีสต์ และโพแทสเซียม .
เพราะเพิ่มปริมาณมากของเกลือยีสต์วัฒนธรรมอาจจะมาก หรือ ปฏิบัติในการตั้งค่าอุตสาหกรรม นักวิจัยยังได้ยีสต์ overexpress โปรตอนปั๊ม โพแทสเซียม นี้เพิ่มการผลิตเอทานอลแต่ในขอบเขตที่น้อยกว่าการเพิ่มเกลือแล้ว
สรุป " เพิ่มความเข้าใจของเราของสิ่งที่อาจจะเกิดขึ้น ทำให้สารประกอบที่เป็นพิษและปลอดสารพิษ , " กล่าวว่า Stephanopoulos . " เราเข้าใจมากขึ้นเกี่ยวกับกระบวนการเหล่านี้ก็จะทำให้มันง่ายที่จะคิดวิธีที่จะช่วยให้จุลินทรีย์ทนพิษ "
เพราะนักวิจัยจะยังทำงานให้กับวิศวกรของยีสต์และแบคทีเรียที่สามารถนำมาผลิตเป็นเชื้อเพลิงที่อุณหภูมิสูง การเพิ่มจุลินทรีย์ ' ความอดทนเอทานอลและแอลกอฮอล์อื่น ๆเป็นสิ่งจำเป็น : เป็นอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น , แอลกอฮอล์มากขึ้น สารพิษ ยีสต์
กลุ่มที่สองของนักวิจัยที่นำโดย Jens Nielsen ของมหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Chalmers ในโกเธนเบิร์กสวีเดนเน้นทนทานต่อความร้อนยีสต์ ในปัจจุบัน ยีสต์มีประสิทธิผลมากที่สุดใน 30 ° C ( 86 ° F ) อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะมีประโยชน์มากสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ ปัจจุบันผู้ผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ ต้องใช้พลังงานอย่างต่อเนื่องเย็นลงยีสต์ เพราะยีสต์จะหมักน้ำตาลสร้างความร้อน .
อุณหภูมิที่สูงขึ้นยังสามารถลดการปนเปื้อนของถังหมักจุลินทรีย์และเอนไซม์อื่น ๆโดยเร็ว กระบวนการต่างๆที่ใช้ในการทำลายพืชที่ใช้เชื้อเพลิงชีวภาพ . นี้จะเป็นประโยชน์โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับนักวิจัยการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพจากวัตถุดิบ lignocellulosic เช่นหญ้าทุ่งหญ้าและเศษพืช
ความร้อนขึ้น สิ่งมีชีวิตที่มีผลกระทบหลายจากการทำลายเมมเบรนจะยุ่งกับโปรตีนและ affinities . " มันเป็นเรื่องยากมากที่จะหาสิ่งที่ควรออกแบบเพื่อปรับปรุงความทนทานต่ออุณหภูมิที่สูงขึ้น , " กล่าวว่า นีลเซ่น
ดังนั้นเขาและเพื่อนร่วมงานของเขาตัดสินใจที่จะท้าทายสามประชากรของยีสต์ โดยการเติบโตไว้ที่ประมาณ 40 ° C ( 104 ° F ) เพื่อดูว่าพวกเขาจะพัฒนากลไกเพื่อทนความร้อน .หลังจากหลายร้อยรุ่น นักวิจัยได้คัดเลือกสายพันธุ์ยีสต์และหาลำดับเบสของแต่ละคน
พบการกลายพันธุ์ยีสต์ เลือกหลายแบบ แต่ที่ใช้ร่วมกันในหมู่พวกเขาทั้งหมด : ไร้สาระการกลายพันธุ์ที่ erg3 . ยีน encodes เอนไซม์ desaturase ได้สเตอรอล ซึ่งเกี่ยวข้องกับการโกสเทอรอล เป็นโมเลกุลที่มีผลต่อการไหลของเยื่อหุ้มเซลล์ส่วนสเตอรอล ส่วนประกอบของยีสต์กลายพันธุ์แตกต่างกว่าของของสายพันธุ์ นักวิจัยพบ
ยีสต์ยังสะสมการกลายพันธุ์ที่ทำให้มันราคาแพงมากขึ้นที่จะเติบโตพวกเขา ดังนั้นนักวิจัยวิศวกรรมของสายพันธุ์ให้มีเพียง erg3 กลายพันธุ์ เหล่านี้ดัดแปลงพันธุกรรมยีสต์สามารถเจริญที่อุณหภูมิ 40 องศา C .
" มันค่อนข้างน่าแปลกใจที่เราสามารถจับตัวการกลายพันธุ์จุดเดียว . . . . . . . เป็นไดรเวอร์ที่สำคัญสำหรับการปรับตัวนี้ , " กล่าวว่า นีลเซ่น
แต่จ้าวข้อควรระวังที่ 40 ° C เป็นอุณหภูมิที่ค่อนข้างต่ำ อุณหภูมิ 50 องศา C ( 122 ° F ) หรือ 60 ° C ( 140 ° F ) จะเป็นที่พึงปรารถนามากที่สุด โดยเฉพาะสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพจากชีวมวล lignocellulosic .
นีลเซ่นกล่าวว่า ทีมงานของเขาได้พยายามและล้มเหลวเพื่อให้ยีสต์เจริญเติบโตในอุณหภูมิที่สูงขึ้น เขาตั้งสมมติฐานว่า การรักษาเสถียรภาพของเยื่อหุ้มเซลล์จะเพียงพอที่จะได้รับยีสต์ที่จะเติบโต ที่ 40 ° C แต่ที่เข้มข้นมากขึ้นชุดของการเปลี่ยนแปลง อาจจะต้องเพิ่มโปรตีนที่อุณหภูมิสูงกว่า
ไม่น่าว่า ยีสต์จะเป็นประโยชน์ที่อุณหภูมิสูงกว่า 60 องศา C สูงอย่างแท้จริงตามจ้าว" พวกเขามีการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่น่าสนใจมาก " เขากล่าว " เรายังไม่ได้แก้ไขปัญหาอุตสาหกรรมที่แท้จริงเลย . . . . . . . อุณหภูมิไม่สูงพอ ทนเอทานอลยังคงมีห้องพักสำหรับการปรับปรุงเพิ่มเติม . "
. caspeta et al . , " การเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบ ทำให้ยีสต์สารสเตอรอล " , วิทยาศาสตร์ , 346 : 75-8 2014
f.h. ลำ et al . , " วิศวกรรมแอลกอฮอล์ความอดทนในยีสต์" วิทยาศาสตร์ , 346 : 71-5 2014 .
การแปล กรุณารอสักครู่..