Un 1,3 miliardi di tonnellate a secco annuo stimato di biomassa lignocellulosica potrebbero sostenere la produzione di etanolo e consentire agli Stati Uniti di ridurre il consumo di petrolio del 30%. 1 Sebbene impianto a biomasse miscele rendimenti idrolisi zucchero ricchi di glucosio e xilosio, inibitori della fermentazione sono generati dal pretrattamento chimico necessario per abbattere emicellulosa ed esporre la cellulosa per l'attacco enzimatico. L'acido acetico, furfurolo, e idrossimetilfurfurale (HMF) si pensa di essere componenti chiave tra molti inibitori che si formano durante il pretrattamento. Per spostare l'industria dell'etanolo lignocellulosiche avanti, ricerca e procedure per consentire l'evoluzione di ceppi di lievito in grado di sopravvivere ed efficiente funzionamento di utilizzare sia esosi e pentosi in presenza di tali composti inibitori sono necessari. Una significativa debolezza aggiuntiva di ceppi di lievito industriali tradizionali, come Saccharomyces cerevisiae, è l'incapacità di fer efficientet il xilosio disponibile in idrolizzati di biomassa vegetale.
Pichia stipitis ceppo NRRL Y-7124 (CBS 5773), recentemente rinominato stipitis Scheffersomyces, è un lievito di fermentazione pentoso nativa che è ben noto a fermentare xilosio in etanolo. 2,3 L'evoluzione del ceppo NRRL Y-7124 è stato perseguito qui perché è stato documentato per hanno il maggiore potenziale di ceppi autoctoni di lievito di accumulare etanolo economicamente recuperabili superiore a 40 g / L con poco sottoprodotto xilitolo. 4,5,6 In mezzi ottimale, S. ceppo stipitis NRRL Y-7124 produce 70 g / L di etanolo a 40 ore (1,75 g / L / hr) con una resa di 0,41 ± 0,06 g / g in colture ad alta densità cellulare (cellule 6 g / L). 7,8 Resistenza agli inibitori di fermentazione etanolo, furfurale e HMF è stata riportata anche, 9 e S. stipitis è stato classificato tra i più promettenti lieviti indigeni pentoso-fermentazione disponibili per scala commerciale di etanolo production da lignocellulosa. 10 Il nostro obiettivo era di applicare diverse idrolizzati lignocellulosici undetoxified e pressioni selettive etanolo per forzare evoluzione verso un derivato più robusta di ceppo NRRL Y-7124 adatto per applicazioni industriali. Chiave tra caratteristiche migliorate ricercati erano i tassi più veloci di zucchero di assorbimento in idrolizzati concentrati, ridotto diauxy per un utilizzo misto di zucchero più efficiente e più elevati tolleranze di etanolo e inibitori. L'applicazione di S. stipitis a idrolizzati undetoxified era un obiettivo chiave della ricerca per eliminare le spese di funzionamento aggiunto associati ai processi di disintossicazione idrolizzato, come overliming.
Due idrolizzati industrialmente promettenti sono state applicate per forzare l'evoluzione:. Enzima saccarificato espansione pretrattati paglia del mais idrolizzato fibra di ammoniaca (AFEX CSH) e diluire l'acido-pretrattati panico verga idrolizzato liquore (PSGHL) 11,12 tecnologia di pretrattamento AFEX è stato sviluppato perminimizzare la produzione di inibitori della fermentazione, mentre diluito pretrattamento acido rappresenta la tecnologia minor costo corrente più comunemente praticato per esporre biomassa cellulosica per saccarificazione enzimatica. PSGHL è separabile dalla cellulosa che rimane dopo pretrattamento ed è tipicamente ricco di xilosio dal emicellulosa idrolizzato, ma a basso contenuto di glucosio. AFEX CSH e composizioni PSGHL differiscono l'uno dall'altro in aspetti chiave che sono stati sfruttati per gestire il processo di evoluzione. AFEX CSH è inferiore in aldeidi furano e inibitori dell'acido acetico ma superiore di aminoacidi e fonti di azoto ammoniacale rispetto PSGHL (Tabella 1). PSGHL presenta la sfida aggiuntiva di xilosio essere lo zucchero predominante disponibile. Così PSGHL è opportuno arricchire specificatamente per una migliore utilizzazione xilosio in idrolizzati, una debolezza prevenire l'uso commerciale di lievito disponibili. Anche tra i lieviti di fermentazione pentosi autoctoni, la dipendenza dal xylo zucchero non ottimalese per sostenere la crescita cellulare e la riparazione diventa ancora più impegnativo in idrolizzati a causa di una serie di motivi:. carenze nutrizionali, inibitori causando danni alla cella integrità strutturale e disagi per il metabolismo dovuti a squilibri redox 9 supplementazione azoto, in particolare sotto forma di aminoacidi, possono rappresentare un costo di esercizio significativo per fermentazioni. L'impatto della supplementazione di azoto sullo screening isolare e la classifica è stata esplorata con idrolizzati panico verga.
Individui migliorati sono stati arricchiti in una popolazione in continua evoluzione utilizzando più pressioni selettive affidamento sulla naturale diversità genetica del S. popolazione stipitis e mutazioni indotte da esposizioni a due idrolizzati diverse, etanolo o radiazioni UV. Pressioni di selezione sono stati applicati in parallelo ed in serie ad esplorare il progresso evoluzione S. stipitis verso derivati desiderati in grado di crescere e fermentare in modo efficiente in idrolizzati(Figura 1). La coltura ripetitivo delle popolazioni funzionali in idrolizzati sempre più difficili è stato realizzato in micropiastre utilizzando una serie di diluizioni di entrambi il 12% glucano CSH AFEX oppure PGSHL preparati al 20% di solidi di carico. L'applicazione di una crescita etanolo-sfidato il xilosio in coltura continua ulteriormente migliorata Afex CSH adattato popolazioni, arricchendo di fenotipi che dimostrano meno suscettibilità a etanolo repressione di utilizzo xilosio. Quest'ultima caratteristica è stata recentemente dimostrato problematico l'utilizzo pentoso dal ceppo NRRL Y-7124 dopo la fermentazione del glucosio. 8 Arricchimento su PSGHL è stato accanto esplorata per ampliare la funzionalità idrolizzato.
Derivati putativi migliorate di S. stipitis NRRL Y-7124 sono stati isolati da ogni fase del processo di evoluzione utilizzando arricchimento mirato in condizioni di stress e la placcatura di diluizione a raccogliere le colonie dalle popolazioni più diffuse. relativa adimensionaleindici di performance (RPI) sono stati utilizzati per classificare ceppi sulla base di prestazioni complessive, in cui il comportamento cinetico è stata valutata su diversi tipi idrolisati e supplementi nutrizionali applicate. Anche se i successi di varie procedure di adattamento per migliorare la funzionalità di S. stipitis in idrolizzati lignocellulosici sono stati precedentemente documentato, i ceppi che dimostrano la produzione di etanolo economica su idrolizzati undetoxified non sono stati precedentemente riportati. 13-17 Utilizzando le procedure evoluzione da visualizzare in dettaglio qui, Slininger et al. 18 hanno sviluppato ceppi che sono notevolmente migliorate nel corso ceppo NRRL Y-7124 e sono in grado di produrre> 40 g / L di etanolo in AFEX CSH ed enzimi saccarificato idrolizzato panico verga (SGH) opportunamente integrato con le fonti di azoto. Questi nuovi ceppi sono di futuro interesse per la lignocellulosa in via di sviluppo per l'industria dell'etanolo e come soggetti di genomica ulteriori studi edificiosu quelli di ceppo precedentemente sequenziato NRRL Y-11545. 19 Uno studio di genomica dei migliori ceppi di prodotti durante le varie fasi di evoluzione diagramed nella figura 1 sarebbe chiarire la cronologia delle modifiche genetiche che si sono verificati durante lo sviluppo come un preludio ad ulteriori ricerche miglioramento ceppo.