生物燃料高效生产微生物细胞工厂构建研究进展

生物燃料替代化石燃料可解决当前全球正面临的能源危机和环境危机。通过筛选、改造微生物,利用可再生资源高效生产具有经济效益和社会效益的生物燃料已成为可持续生物制造的重大发展方向。基于系统生物学理解并设计细胞工厂生物燃料的合成途径与调控网络,利用合成生物学手段开发高产稳产微生物细胞工厂是实现生物燃料经济生产的重要手段。本文概述了当前生物燃料的主要种类及对应的代谢途径,并总结了当前主要生物燃料的生产情况。重点介绍从微生物物质代谢、能量代谢、生理代谢和信息代谢四个方面去认识、改造、开发微生物底盘细胞使其成为高产稳产的生物能源细胞工厂。此外,本文也对当前生物能源的生产瓶颈和挑战进行了总结,并从酶元件库的挖掘、合成途径的创建与优化、底盘细胞的理解和性能改善、发酵工艺的智能控制等方面提出了未来的发展方向和目标任务,强调了在未来的研究中,信息技术(IT)和生物技术(BT)交叉融合是能源细胞工厂构建的发展趋势,可为高效生物燃料细胞工厂的构建提供工具和资源,加速生物能源的产业化进程。

拉曼光谱分析技术在资源微生物发酵性能评价中的应用

微生物发酵过程是细胞新陈代谢进行物质转化的过程,为了提高目标产物的转化率,需要对微生物发酵动态特性进行实时分析,以便实时优化发酵过程。拉曼光谱(Ramanspectroscopy)量化测试作为一种有应用前景的在线过程分析技术,可以在避免微生物污染的条件下,实现精准监测,进而用于优化控制微生物发酵过程。【目的】以运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)为例,建立微生物发酵过程中葡萄糖、木糖、乙醇和乳酸浓度拉曼光谱预测模型,并进行准确性验证。【方法】采用浸入式在线拉曼探头,收集运动发酵单胞菌发酵过程中多个组分的拉曼光谱,采用偏最小二乘法对光谱信号进行预处理和多元数据分析,结合离线色谱分析数据,对拉曼光谱进行建模分析和浓度预测。【结果】针对运动发酵单胞菌,首先实现拉曼分析仪对单一产品乙醇发酵过程的精准检测,其次基于多元变量分析,建立葡萄糖、乙醇和乳酸浓度变化的预测模型,实现对发酵过程中各成分浓度变化的准确有效分析。【结论】成功建立了一种评价资源微生物尤其是工业菌株发酵液多种组分的拉曼光谱分析方法。该方法为运动发酵单胞菌等工业菌株利用多组分底物工业化生产不同产物的实时检测,以及其他微生物尤其工业菌株的选育和过程优化提供了新方法。