酵母對於透過發酵生產乙醇至關重要，但多年來，生物燃料的生產一直受到熱量和乙醇本身在高濃度下可能對酵母產生致命或損害性影響的限制。
最近，瑞典哥德堡查爾姆斯理工大學和麻省理工學院的研究人員找到了改善這兩個生產問題的方法。他們昨天在科學雜誌上發表了他們的 研究。
查爾姆斯理工大學系統生物學教授 Jens Nielsen 是對提高酵母耐熱性感興趣的研究人員之一。
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找到一種使酵母更好地耐受熱量的方法將降低乙醇生產成本。使用目前的工業酵母菌株，乙醇生產商必須將酵母發酵冷卻至 30 攝氏度（86 華氏度）。雖然這可能是酵母的最佳溫度，但對於生產者來說卻不是。分解糖和澱粉所需的酶在 40 攝氏度（104 華氏度）左右工作得更好，而冷卻過程會增加生產成本。
Nielsen 和他的同事們沒有試圖操縱參與耐熱性的特定基因，而是使用了一種稱為適應性實驗室進化的過程。
“我們說，‘為什麼我們不嘗試採用自然的方法，嘗試對此進行進化呢？’”他說。
他們將三種含有多種酵母菌株的酵母培養物暴露在 40 攝氏度左右的溫度下較長時間，並觀察出現了哪些基因變化。
三個月和 300 多代之後，酵母突然開始在所有較高溫度的培養物中良好生長。
“這真的是達爾文的適者生存。我們發現了相當多的新突變，”Nielsen 說。
在不同的耐熱菌株中，唯一一致的突變是單點突變，它在細胞膜中產生了一種不同的甾醇，稱為糞甾醇。
“一項非常新穎的發現”
通常，細胞膜含有麥角甾醇，類似於人類和動物細胞中發現的膽固醇。與麥角甾醇不同，糞甾醇具有彎曲的形狀，類似於保護某些型別的細菌和植物免受較高溫度影響的類甾醇分子。更重要的是，根據 Nielsen 的說法，產生糞甾醇的突變是可遺傳的，並且似乎對酵母的生長或繁殖能力沒有任何負面副作用。
“這是一項非常新穎的發現，”他說。“我們還可以將這種特性轉移到工業酵母菌株中，並將其用於大規模乙醇生產。”
在橫跨大西洋的麻省理工學院和懷特海生物醫學研究所，第二組研究人員一直在研究使酵母更耐乙醇的方法。
研究人員發現，透過在培養酵母的培養基中新增氯化鉀和氫氧化鉀，他們可以提高其酒精耐受性，並延長單個細胞產生乙醇的時間。
麻省理工學院化學工程教授、該研究的作者之一 Gregory Stephanopoulos 表示，透過這樣做，研究人員將他們生產的乙醇濃度提高了約 80%。
“毒性可能是具有成本效益的生物燃料生產中最重要的問題，”他說。
酒精耐受性的提高可以追溯到培養基對細胞膜上電化學膜梯度的影響。當酵母細胞暴露於大量乙醇時，酒精會使細胞膜更具多孔性。當培養基用氯化鉀和氫氧化鉀增強時，質子泵和鉀泵能夠更好地補償細胞膜的損傷。
根據該研究，不僅如此，酵母還能夠消耗所有可用的葡萄糖。
潛在的生產節省
研究人員在多種酵母菌株上測試了該培養基。
“這種效果在工業菌株和實驗室菌株中同樣強烈，並且效果幾乎相同，”Stephanopoulos 說。
當研究人員提高與鉀泵和質子泵相關的基因的表達時，電化學梯度得到進一步增強。
他們根據之前的研究結果提出了改變酵母培養基的想法，之前的研究表明，更耐熱的酵母磷酸鹽相關基因的表達更高。當他們將磷酸鉀引入他們正在培養酵母的培養基中時，當他們比較乙醇產量時，他們看到了“非凡的結果”。
最初，尚不清楚是鉀還是磷酸鹽在驅動產量的增加。最終，研究人員發現，新增的鉀增強了細胞膜的鉀泵，而磷酸鹽則提高了培養基的 pH 值。
結果擴充套件到其他對酵母也有毒性的醇類。
“我們越瞭解分子為何有毒以及使這些生物體更耐受的方法，人們就越能獲得關於如何解決其他更嚴重的毒性問題的想法，”Stephanopoulos 說。
Stephanopoulos 的實驗室目前正在嘗試在不同型別的培養基中培養酵母，以觀察他們是否可以進一步降低乙醇和其他醇類的毒性影響。
兩所大學的研究人員都相信，他們的研究結果可以從實驗室轉移到商業乙醇生產中。根據能源資訊署的資料，這反過來可能會為美國乙醇燃料行業節省成本，該行業在 2013 年生產了 133 億加侖乙醇，今年上半年生產了 70 億加侖。
Nielson 說，這兩種方法甚至可以結合使用，以建立一種既耐熱又耐酒精的酵母菌株。
“這兩種方法可以很容易地結合起來；我看不到將這兩種方法結合起來有任何技術障礙，”他說。
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