Kỹ thuật biến đổi Saccharomyces cerevisiae để cải thiện khả năng hình thành biofilm và sản xuất ethanol trong lên men liên tục

Zhenyu Wang1, Weizhen Xu1, Yixuan Gao1, Musu Zha1, Di Zhang1, Xiwei Peng1, Huifang Zhang1, Wei Cheng1, Chenchen Xu1, Tingwei Zhou1, Dong Liu1, Huanqing Niu1, Qingguo Liu2, Yong Chen1, Chenjie Zhu1, Tao Guo3, Hanjie Ying1
1State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering, College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China
2Institute of Industrial Biotechnology, Jiangsu Industrial Technology Research Institute (JITRI), Nanjing, 210032, China
3Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing, 210014, China

Tóm tắt

Tóm tắt Giới thiệu Lên men liên tục với biofilm cố định có tiềm năng tăng cường khả năng chịu đựng môi trường của tế bào, duy trì hoạt động của tế bào và cải thiện hiệu suất sản xuất. Kết quả Trong nghiên cứu này, các gen hình thành biofilm khác nhau (FLO5, FLO8 và FLO10) đã được tích hợp vào hệ gen của S. cerevisiae để quá biểu hiện, trong đó FLO5FLO10 đã cho kết quả tốt nhất. Khả năng hình thành biofilm của các chủng biến đổi gen 1308-FLO5 và 1308-FLO10 được cải thiện lần lượt là 31.3% và 58.7% so với chủng WT. Số lượng tế bào bám vào chất mang biofilm đã tăng lên. So với lên men tế bào tự do, sản lượng ethanol trung bình của 1308, 1308-FLO5 và 1308-FLO10 đã tăng lần lượt là 17.4%, 20.8% và 19.1% trong lên men liên tục với biofilm cố định. Do khả năng bám dính tốt, độ đục của dịch lên men của 1308-FLO5 và 1308-FLO10 đã giảm lần lượt là 22.3% và 59.1% trong lên men biofilm cố định. Sau đó, trong quá trình lên men biofilm cố định kết hợp với tách màng, chủng biến đổi đã giảm đáng kể ô nhiễm tế bào lên màng và lưu lượng tách màng đã tăng 36.3%. Kết luận Tóm lại, khả năng hình thành biofilm được cải thiện của S. cerevisiae có thể mang lại nhiều lợi ích trong quá trình lên men ethanol. Hình ảnh tóm tắt

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Flemming HC, Wingender J. The biofilm matrix. Nat Rev Microbiol. 2010;8(9):623–33.

Kassinger SJ, Van Hoek ML. Biofilm architecture: an emerging synthetic biology target. Synth Syst Biotechnol. 2020;5(1):1–10.

Speranza B, Corbo MR, Campaniello D, Altieri C, Sinigaglia M, Bevilacqua A. Biofilm formation by potentially probiotic Saccharomyces cerevisiae strains. Food Microbiol. 2020;87: 103393.

Simões M, Simões LC, Vieira MJ. A review of current and emergent biofilm control strategies. Lwt-Food Sci Technol. 2010;43(4):573–83.

Jiang Y, Liu Y, Zhang X, Gao H, Mou L, Wu M, Zhang W, Xin F, Jiang M. Biofilm application in the microbial biochemicals production process. Biotechnol Adv. 2021;48: 107724.

Carneiro RB, Gomes GM, Zaiat M, Santos-Neto AJ. Two-phase (acidogenic-methanogenic) anaerobic fixed bed biofilm reactor enhances the biological domestic sewage treatment: perspectives for recovering bioenergy and value-added by-products. J Environ Manage. 2022;317: 115388.

Chen T, Liu N, Ren P, Xi X, Yang L, Sun W, Yu B, Ying H, Ouyang P, Liu D, Chen Y. Efficient biofilm-based fermentation strategies for l-threonine production by Escherichia coli. Front Microbiol. 2019;10:1773.

Chen Y, Liu Q, Zhou T, Li B, Yao S, Li A, Wu J, Ying H. Ethanol production by repeated batch and continuous fermentations by Saccharomyces cerevisiae immobilized in a fibrous bed bioreactor. J Microbiol Biotechnol. 2013;23(4):511–7.

Liu Z, Tyo KE, Martinez JL, Petranovic D, Nielsen J. Different expression systems for production of recombinant proteins in Saccharomyces cerevisiae. Biotechnol Bioeng. 2012;109(5):1259–68.

Ren P, Chen T, Liu N, Sun W, Hu G, Yu Y, Yu B, Ouyang P, Liu D, Chen Y. Efficient biofilm-based fermentation strategies by eDNA formation for l-proline production with Corynebacterium glutamicum. ACS Omega. 2020;5(51):33314–22.

Yu B, Zhang X, Sun W, Xi X, Zhao N, Huang Z, Ying Z, Liu L, Liu D, Niu H, Wu J, Zhuang W, Zhu C, Chen Y, Ying H. Continuous citric acid production in repeated-fed batch fermentation by Aspergillus niger immobilized on a new porous foam. J Biotechnol. 2018;276–277:1–9.

Willaert RG, Kayacan Y, Devreese B. The Flo adhesin family. Pathogens. 2021;10(11):1397.

Verstrepen KJ, Klis FM. Flocculation, adhesion and biofilm formation in yeasts. Mol Microbiol. 2006;60(1):5–15.

Di Gianvito P, Tesniere C, Suzzi G, Blondin B, Tofalo R. FLO5 gene controls flocculation phenotype and adhesive properties in a Saccharomyces cerevisiae sparkling wine strain. Sci Rep. 2017;7(1):10786.

Karimi S, Karri RR, Tavakkoli Yaraki M, Koduru JR. Processes and separation technologies for the production of fuel-grade bioethanol: a review. Environ Chem Lett. 2021;19(4):2873–90.

Cao Z, Xia C, Jia W, Qing W, Zhang W. Enhancing bioethanol productivity by a yeast-immobilized catalytically active membrane in a fermentation-pervaporation coupling process. J Membrane Sci. 2020;595:117485.

Ding WW, Wu YT, Tang XY, Yuan L, Xiao ZY. Continuous ethanol fermentation in a closed-circulating system using an immobilized cell coupled with PDMS membrane pervaporation. J Chem Technol Biot. 2011;86(1):82–7.

Li H, Liu H, Li Y, Nan J, Shi C, Li S. Combined vapor permeation and continuous solid-state distillation for energy-efficient bioethanol production. Energies. 2021;14(8):2266.

Li QZ, Jiang XL, Feng XJ, Wang JM, Sun C, Zhang HB, Xian M, Liu HZ. Recovery processes of organic acids from fermentation broths in the biomass-based industry. J Microbiol Biotechnol. 2016;26(1):1–8.

Santos ELI, Rostro-Alanis M, Parra-Saldivar R, Alvarez AJ. A novel method for bioethanol production using immobilized yeast cells in calcium-alginate films and hybrid composite pervaporation membrane. Bioresour Technol. 2018;247:165–73.

Liu D, Chen Y, Ding FY, Zhao T, Wu JL, Guo T, Ren HF, Li BB, Niu HQ, Cao Z, Lin XQ, Xie JJ, He XJ, Ying HJ. Biobutanol production in a Clostridium acetobutylicum biofilm reactor integrated with simultaneous product recovery by adsorption. Biotechnol Biofuels. 2014;7(1):5.

Chan CX, El-Kirat-Chatel S, Joseph IG, Jackson DN, Ramsook CB, Dufrene YF, Lipke PN. Force sensitivity in Saccharomyces cerevisiae flocculins. mSphere. 2016;1(4).

Yang L, Zheng C, Chen Y, Shi X, Yin Z, Ying H. Nitric oxide increases biofilm formation in Saccharomyces cerevisiae by activating the transcriptional factor Mac1p and thereby regulating the transmembrane protein Ctr1. Biotechnol Biofuels. 2019;12:30.

Yang L, Zheng C, Chen Y, Ying H. FLO Genes family and transcription factor MIG1 regulate Saccharomyces cerevisiae biofilm formation during immobilized fermentation. Front Microbiol. 2018;9:1860.

Liu Q, Zhao N, Zou Y, Ying H, Chen Y. Feasibility of ethanol production from expired rice by surface immobilization technology in a new type of packed bed pilot reactor. Renew Energy. 2020;149:321–8.

Tekarslan-Sahin SH, Alkim C, Sezgin T. Physiological and transcriptomic analysis of a salt-resistant Saccharomyces cerevisiae mutant obtained by evolutionary engineering. Bosn J Basic Med Sci. 2018;18(1):55–65.

Reider Apel A, d’Espaux L, Wehrs M, Sachs D, Li RA, Tong GJ, Garber M, Nnadi O, Zhuang W, Hillson NJ, Keasling JD, Mukhopadhyay A. A Cas9-based toolkit to program gene expression in Saccharomyces cerevisiae. Nucleic Acids Res. 2017;45(1):496–508.

Ryan OW, Poddar S, Cate JH. CRISPR-Cas9 Genome engineering in Saccharomyces cerevisiae cells. Cold Spring Harb Protoc. 2016;2016(6).

Zhang D, Wang F, Yu Y, Ding S, Chen T, Sun W, Liang C, Yu B, Ying H, Liu D, Chen Y. Effect of quorum-sensing molecule 2-phenylethanol and ARO genes on Saccharomyces cerevisiae biofilm. Appl Microbiol Biotechnol. 2021;105(9):3635–48.

Liang C, Ding S, Sun W, Liu L, Zhao W, Zhang D, Ying H, Liu D, Chen Y. Biofilm-based fermentation: a novel immobilisation strategy for Saccharomyces cerevisiae cell cycle progression during ethanol production. Appl Microbiol Biotechnol. 2020;104(17):7495–505.

Bossu M, Selan L, Artini M, Relucenti M, Familiari G, Papa R, Vrenna G, Spigaglia P, Barbanti F, Salucci A, Giorgio GD, Rau JV, Polimeni A. Characterization of Scardovia wiggsiae biofilm by original scanning electron microscopy protocol. Microorganisms. 2020;8(6):807.

Schu M, Terriac E, Koch M, Paschke S, Lautenschlager F, Flormann DAD. Scanning electron microscopy preparation of the cellular actin cortex: a quantitative comparison between critical point drying and hexamethyldisilazane drying. PLoS ONE. 2021;16(7): e0254165.