Метаболическая инженерия дрожжей Hansenula polymorpha для создания эффективных продуцентов этанола

Abstract

До недавнего времени никто не рассматривал метилотрофные дрожжи как потенциальный продуцент биотоплива, в частности биоэтанола, из гидролизатов лигноцеллюлозы. Десять лет назад опублікована первая работа, раскрывающая способность термотолерантных метилотрофных дрожжей Hansenula polymorpha сбраживать один из основных сахаров лигноцеллюлозы – ксилозу, что сделало эти дрожжи перспективным организмом для проведения высоко-температурной алкогольной ферментации [1]. Такая особенность дрожжей H. polymorpha может быть использована при реализации потенциально эффективного процесса одновременного осахаривания и ферментации (ООФ) сырья. ООФ позволяет соединить ферментативный гидролиз сырья с конверсией образующихся сахаров в этанол: ферменты гидролизируют полисахариды до мономерных сахаров, которые немедленно потребляются микроорганизмами – продуцентами этанола. Однако эффективность алкогольной ферментации дикими штаммами H. polymorpha основных сахаров – продуктов гидролиза лигноцеллюлозного сырья, и особенно ксилозы, требует значительного улучшения. В настоящем обзоре изложены основные результаты в области метаболической инженерии H. polymorpha для конструирования продуцентов этанола из ксилозы, крахмала, ксилана и глицерина, а также штаммов с повышенной толерантностью к высокой температуре и етанолу.

До недавнього часу ніхто не розглядав метилотрофні дріжджі як потенційний продуцент біопалива, зокрема біоетанолу, з гідролізатів лігноцелюлози. Десять років тому було опубліковано першу роботу, яка розкриває здатність термотолерантних метилотрофних дріжджів Hansenula polymorpha зброджувати один з основних цукрів лігноцелюлози – ксилозу, що перетворило ці дріжджі на перспективний організм для проведення високотемпературної алкогольної ферментації. Така особливість дріжджів H. polymorpha може бути ви-користана у потенційно ефективному процесі одночасного оцукрювання та ферментації (ООФ) сировини. ООФ дозволяє поєднати ферментативний гідроліз сировини з конверсією утворених цукрів в етанол: ферменти гідролізують полісахариди до мономерних цукрів, які споживаються мікроорганізмами – продуцентами етанолу. Однак ефективність алкогольної ферментації дикими штамами H. polymorpha основних цукрів – продуктів гідролізу лігноцелюлозної сировини, та особливо ксилози, потребує істотного покращення. В представленому огляді викладено основні результати в галузі метаболічної інженерії H. Polymorpha для конструювання продуцентів етанолу з ксилози, крохмалю, ксилану та гліцерину, а також штамів з підвищеною толерантністю до високої температури та етанолу.

Until recently, the methylotrophic yeast has not been considered as a potential producer of biofuels, particularly, ethanol from lignocellulosic hydrolysates. The first work published 10 years ago revealed the ability of the thermotolerant methylotrophic yeast Hansenula polymorpha to ferment xylose—one of the main sugars of lignocellulosic hydrolysates—which has made the yeast a promising organism for high-temperature alcoholic fermentation. Such a feature of H. polymorpha could be used in the implementation of a potentially effective process of simultaneous saccharification and fermentation (SSF) of raw materials. SSF makes it possible to combine enzymatic hydrolysis of raw materials with the conversion of the sugars produced into ethanol: enzymes hydrolyze polysaccharides to monomers, which are immediately consumed by microorganisms (producers of ethanol). However, the efficiency of alcoholic fermentation of major sugars produced via hydrolysis of lignocellulosic raw materials and, especially, xylose by wild strains of H. polymorpha requires significant improvements. In this review, the main results of metabolic engineering of H. polymorpha for the construction of improved producers of ethanol from xylose, starch, xylan, and glycerol, as well as that of strains with increased tolerance to high temperatures and ethanol, are represented.