Se estima que 1,3 millones de toneladas secas anuales de biomasa lignocelulósica podrían apoyar la producción de etanol y permitir que los EE.UU. para reducir su consumo de petróleo en un 30%. 1 Aunque la biomasa vegetal mezclas de los rendimientos de hidrólisis de azúcar ricos en glucosa y xilosa, inhibidores de la fermentación son generados por el pretratamiento químico necesario para descomponer hemicelulosa y celulosa para exponer ataque enzimático. ácido acético, furfural, hidroximetilfurfural y (HMF) se cree que son componentes clave entre muchos inhibidores que se forman durante el pretratamiento. Con el fin de mover la industria del etanol lignocelulósico hacia adelante, la investigación y los procedimientos que permiten la evolución de cepas de levadura capaces de sobrevivir y eficaz funcionamiento de usar tanto hexosa y pentosa en presencia de tales compuestos inhibidores son necesarios. Una debilidad adicional significativo de cepas de levaduras industriales tradicionales, tales como Saccharomyces cerevisiae, es la incapacidad de Fermen eficientet la xilosa disponibles en hidrolizados de biomasa vegetal.
Pichia stipitis tipo de cepa NRRL Y-7124 (CBS 5773), recientemente renombrado stipitis Scheffersomyces, es una levadura de fermentación de pentosa nativo que es bien conocido para fermentar la xilosa a etanol. 2,3 La evolución de la cepa NRRL Y-7124 fue perseguido aquí ya que se ha documentado para tienen el mayor potencial de cepas de levaduras nativas para acumular etanol económicamente recuperables inferior o igual a 40 g / L con poco subproducto xilitol. 4,5,6 En los medios de comunicación óptima, S. cepa stipitis NRRL Y-7124 produce 70 g / L de etanol en 40 hr (1.75 g / L / hr) con un rendimiento de 0,41 ± 0,06 g / g en cultivos de alta densidad celular (células 6 g / L). 7,8 Resistencia a los inhibidores de la fermentación del etanol, furfural y HMF también se ha informado, 9 y S. stipitis ha sido clasificada entre las levaduras que fermentan la pentosa nativas más prometedoras disponibles para el etanol Productio escala comercialn a partir de lignocelulosa. 10 Nuestro objetivo era aplicar diversos hidrolizados lignocelulósicos undetoxified y presiones de selección etanol para forzar la evolución hacia una más sólida derivada de la cepa NRRL Y-7124 adecuado para aplicaciones industriales. La llave entre características mejoradas solicitados son más rápidas tasas de absorción de azúcar en hidrolizados de concentrados, reducida diauxy para la utilización de azúcar mezclado más eficiente y más altas tolerancias de etanol e inhibidores. La aplicación de S. stipitis de hidrolizados undetoxified fue un elemento clave de la investigación para eliminar el gasto operativo añadido asociado a los procesos de descontaminación de hidrolizados, tales como overliming.
Dos hidrolizados industrialmente prometedores se aplicaron para forzar la evolución:. Sacarificado enzima fibra de amoniaco expansión pretratados con hidrolizado de rastrojo de maíz (AFEX CSH) y diluir el licor Panicum virgatum hidrolizado ácido pretratados (PSGHL) 11,12 tecnología de pretratamiento AFEX está siendo desarrollado paraminimizar la producción de inhibidores de la fermentación, mientras que el pretratamiento con ácido diluido representa la actual tecnología de bajo coste más comúnmente practicado para exponer la biomasa celulósica para la sacarificación enzimática. PSGHL es separable de la celulosa restante después del tratamiento previo y es característicamente rico en xilosa a partir de la hemicelulosa hidrolizada, pero bajo en glucosa. AFEX CSH y composiciones PSGHL difieren entre sí en aspectos clave que fueron explotadas para gestionar el proceso de la evolución. AFEX CSH es más bajo en aldehídos de furano y los inhibidores de ácido acético, pero más alta en aminoácidos y fuentes de nitrógeno de amoníaco en comparación con PSGHL (Tabla 1). PSGHL presenta el reto adicional de xilosa ser el azúcar predominante disponible. Por lo tanto PSGHL es apropiada para enriquecer específicamente para la mejora de la utilización de xilosa en hidrolizados, una debilidad prevenir el uso comercial de la levadura disponibles. Incluso entre las levaduras de fermentación de pentosa nativas, la dependencia de la xilo azúcar subóptimaSE para apoyar el crecimiento celular y la reparación se hace aún más difícil en los hidrolizados debido a una variedad de razones:. deficiencias de nutrientes, inhibidores causan un daño generalizado a la celda integridad estructural, y la interrupción de metabolismo debido a los desequilibrios redox 9 suplementación con nitrógeno, especialmente en la forma de aminoácidos, pueden representar un coste operativo importante para las fermentaciones. El impacto de la suplementación de nitrógeno sobre el cribado del aislamiento y la clasificación fue explorada con hidrolizados de P. virgatum.
La mejora de los individuos se enriquecieron en una población evoluciona el uso de múltiples presiones de selección dependen de la diversidad genética natural de la S. la población y las mutaciones stipitis inducida por la exposición a dos diversos hidrolizados, etanol o radiación UV. Presiones de selección se aplicaron en paralelo y en serie para explorar el progreso evolución de S. stipitis hacia derivados deseados capaces de crecer y fermentar de manera eficiente en hidrolizados(Figura 1). El cultivo repetitivo de las poblaciones funcionales en hidrolizados cada vez más desafiantes se llevó a cabo en microplacas el empleo de una serie de dilución de cualquiera de glucano CSH AFEX 12% o más preparado PGSHL a 20% de carga de sólidos. La aplicación de un crecimiento de etanol-desafió en xilosa en cultivo continuo mejorado aún más CSH adaptada poblaciones AFEX mediante el enriquecimiento de fenotipos que demuestran menor susceptibilidad a etanol represión de la utilización de xilosa. Esta última característica ha demostrado recientemente problemática de la utilización de pentosa por la cepa NRRL Y-7124 después de la fermentación de la glucosa. 8 Enriquecimiento en PSGHL se exploró junto a ampliar la funcionalidad hidrolizado.
Derivados mejorados putativa de S. stipitis NRRL Y-7124 fueron aisladas de cada fase del proceso de evolución dirigida mediante el enriquecimiento en condiciones de estrés y una dilución en placas para recoger colonias de las poblaciones de mayor prevalencia. en relación adimensionalíndices de rendimiento (RPI) se utilizaron para clasificar las cepas basado en el rendimiento general, donde se evaluó el comportamiento cinético de los diferentes tipos de hidrolizados y suplementos de nutrientes aplicados. Aunque los éxitos de diversos procedimientos de adaptación para mejorar la funcionalidad de S. stipitis en hidrolizados lignocelulósicos se han documentado anteriormente, las cepas que demuestran la producción de etanol económico en hidrolizados undetoxified no se ha informado anteriormente. 13-17 Usando los procedimientos de evolución para ser visualizado en más detalle aquí, Slininger et al. 18 cepas que se mejoran significativamente durante desarrollaron la cepa parental NRRL y-7124 y son capaces de producir> 40 g / L de etanol en AFEX CSH y la enzima hidrolizado sacarificado Panicum virgatum (SGH) debidamente complementado con fuentes de nitrógeno. Estas nuevas cepas son de interés para el futuro desarrollo de la lignocelulosa a la industria del etanol y como sujetos de la genómica estudios adicionales edificioen los de la cepa previamente secuenciados NRRL Y-11545. 19 Un estudio de la genómica de los mejores cepas producidas durante las diversas fases de la evolución esquematiza en la figura 1 sería dilucidar la historia de los cambios genéticos que ocurrieron durante el desarrollo como un preludio a seguir investigando la mejora de cepas.