微生物对溶剂和乙醇的耐受力综述.doc

微生物对溶剂和乙醇的耐受力综述由于能源的紧缺和对环保能源的需求，使得人们对用微生物生产乙醇作为燃料这项技术的产生了极大的兴趣，然而这项技术目前的发酵材料主要是粮食作物，会影响到粮食的供给解决的方法是用木质纤维来作为发酵的材料代替粮食作物然而利用木质纤维产乙醇这项技术在生产过程中却有很多的困难，发酵菌株对木质纤维的代谢多样性是有局限的，然而那些具有良好的代谢多样性的菌株其乙醇的代谢途径会受到溶剂的限制，目前已经争辩出了局部菌株对溶剂抗性的大致机理和生理反响1、序言目前在国际上主要用一些争辩的比较成熟的微生物生成乙醇，比方啤酒酵 母、运动发酵单孢菌，这些微生物产酒精的量高，溶剂的耐受性也好，但是这种方法的主要缺点是发酵材料主要依靠于 C6 糖，所以这种方法只适合在粮食充裕的国家推广，世界人口的增长以及对粮食的需求使得争辩人员开头开发的菌 株，这些菌株能够利用木质纤维去有效的生产出乙醇和丁醇，从而可以保持粮食的供给2、燃料乙醇20 世纪的下半叶，生物燃料得到了快速进展，对于燃料乙醇的进展，除了考虑其经济上可行性，还要关注以下两个问题，一个是菌株分解代谢的多样性和菌株发酵的力量，另一个是怎样增加菌株对乙醇的耐受力。

在乙醇的生产过程中，主要的厌氧代谢途径已经被具体报道过，在乙醇的生产过程中的有一个关键酶是丙酮酸脱羧酶〔 PDC〕，这种酶的变构体在一些嗜温的酵母和少数的嗜温菌中也有觉察，PDC 催化Mg2+和焦磷酸硫胺素〔TPP〕使得丙酮酸脱羧生成乙醛和 CO2，随后在乙醇脱氢酶和关心因子 NAD+的作用下转化成乙醇，从而保持了细胞中的氧化复原平衡此外，也有其他的产乙醇的厌氧代谢途径在嗜温菌和嗜热菌中被觉察，主要是由丙酮酸盐裂解酶和丙酮酸盐脱氢酶的异构体催化丙酮酸盐的分解代谢.丁醇的厌氧生产是 ABE 发酵过程的一局部，乙酰 COA 代谢中间产物的连续削减导致了丁醇的产生，丁醇的生成还伴随着丙酮、乙醇和其他的次生代谢产1物例如丁酸的生成对丁醇的生产中，菌株对溶剂的耐受力是影响影响丁醇产量的主要因素，在进展非酵母生产乙醇的进展中，很多微生物对乙醇浓度的敏感度也是一个重要的限制因素对很多关于微生物乙醇耐受力的细胞机理和对高浓度乙醇的应答机制已经有过报道，这些机制包括细胞与溶剂接触的位点，细胞修复力量的加强，细胞构造的变化等等3、酵母的溶剂耐受力对乙醇具有耐受力是酵母菌属的一个普遍的特征，在对酵母菌蜡膜的观看中可以很简洁的把细菌对乙醇的耐受性和膜脂中脂肪酸的增加联系起来，比方质膜的构造转变和细胞内乙醇的积存等。

同时，酵母对乙醇的耐受力也和环境的转变例如培育基的组成、温度和渗透压的影响有关酵母对溶剂的应答机制的两个典型例子是 S. cerevisiae 和 Kloeckera apiculata，最初报道它们对乙醇浓度应答主要是通过提高脂膜中麦角固醇和不饱和脂肪酸的比例，以及维持磷脂的生物合成来完成的，其他的对不饱和脂肪酸养分缺陷性的酵母菌株的应答机制主要是通过转变脂膜的构造特别是油酸、亚油酸和亚麻酸的组成来完成的最近在对乙醇耐受性酵母菌的全基因表达的检查中觉察,有超过 250 多个基因是和酵母菌的乙醇耐受性有关，包括很多的 ATP 酶和基因编码的热激蛋白.表1 给出了不同的酵母菌对乙醇的耐受性4、嗜温菌对一般溶剂的应答在之前的争辩中，假单跑菌、大肠杆菌和酒内酒球菌对溶剂的生理反响过程被报道过，例如 DOT-T1 菌株受到溶剂短期〔通过快速将独联体- 9 ,10 -甲基棕榈脂肪酸转换为不饱和 9 顺十六碳脂肪酸以及其反向异构体以增加增加膜的刚性硬度，〕和长期应答(磷脂的比例在增加，磷脂极性头基磷脂削减)，觉察甲苯存在于恶臭假单胞菌的膜外和质膜中，作为一种身体机制以防止溶剂渗入胞内，一些具有显著特征的对溶剂的应答机理还伴随着溶剂依靠能量外排泵的外排系统，这些系统可以排出有毒的有机溶剂，在大肠杆菌、恶臭假单胞菌和铜绿假单胞菌对溶剂的外排泵系统中，都涉及到甲苯的暴露，在铜绿假单胞菌中存在三种外排泵〔TtgABC、TtgDEF、TtgGHI〕，同时耦合一个借助于质子动力驱动的 TonB 系统。

AcrAB-Tolc 和 AcrEF-Tolc 外排泵在大肠杆菌对正乙烷的耐受性和调整转录水平上也有类似的表现大肠杆菌对溶剂的耐受性是由其基因所打算的，大肠杆菌突变体对溶剂的耐受性很强，这种突变体在 marR 基因上有缺陷，而这种基因可以编码一种抑制蛋白〔主要作为环境的胁迫因子〕 此外，通过调整大肠杆菌中AcrAB-TolC 来增加应激反响基因的表达量可以提高对溶剂的耐受性男性XYZ 基因的过量表达可以编码一个磷酸系统的糖转移蛋白，也和溶剂的耐受性有肯定的联系对溶剂的耐受性机制在很多其他的物种中也有觉察，在Table1 中有具体的列表据报道，外源的高乙醇浓度通过影响细胞膜的通透性而影响细菌的生长、发育和陈代谢，对细菌产生毒害的作用，这样的报道和的磷脂双分子层与乙醇的相互作用的生物物理学现象是全都的也用人报道对乙醇耐受性的增加是由于后天的适应性和细胞膜刚性的转变，细菌乙醇潜在毒性水平的适应性的主要的目标是细胞膜，报道指出当大肠杆菌在酒精的压力条件下，其细胞膜中脂肪酸的组成变化的很快，并且脂肪酸中的饱和脂肪酸的比例 18：1 有所增加最 近 ， 对 细 菌 在 乙 醇 压 力 条 件 下 的 蛋 白 质 组 学 分 析 表 明inosine-5’-monophosphate dehydrogenase，phosphoglucona te dehydrogenase and glutathione reductase 受到了很大的调控， 提出了一个为适应乙醇条件的关键的氧化复原反响平衡，总之，已经证明出乙醇溶剂会刺激细胞膜中蛋白的快速合成。

酒类酒球菌细胞对乙醇的耐受性主要是通过提高不饱和脂肪酸的比例，以及降低整个细胞中脂质的含量削减膜的流淌性来实现的然而，在随后的报道中觉察澳球菌的乙醇休克〔 14%〕会马上引起流体化作用〔休克之后渐渐的获得刚性〕2022年 Aono 曾经分别出了一些大肠杆菌菌株用于提高它们对溶剂的耐受性据他报道，这些大肠杆菌的突变体在 marR 基因〔为 mar 操纵子编码一个阻遏蛋白，对环境的胁迫作出反响〕上有缺陷，此外，应激反响基因，soxS，marA, 和 robA 的过量表达也会提高这些大肠杆菌对溶剂的耐受性曾经报道，在对拜式梭菌的耐受性争辩和转座子突变的分析中说明，梭状芽孢杆菌对丁醇的耐受性与甘油脱氢酶表达量削减有关，groESL 操纵子ATCC824 的过量表达导致丁醇耐受性突变型的大量产生，同时这些突变型的运动和趋化基因会过量表达，而其他的耐受性基因的表达量会削减争辩者也觉察，Spo0A 的过量表达会提高细菌对丁醇的耐受性，它是一般耐受性应答的一局部，这些一般的应答包括对 DNA 合成、细胞分裂、糖酵解和丁醇的合成以及各种热激蛋白的基因调控随着乙醇浓度的增加，菌株的生长、生存和生殖力量会受到相应的影响。

在大肠杆菌中，糖酵解途径对乙醇有独特的耐受性，可能和糖酵解过程释放能量的性质有关，即使在大肠杆菌生长和细胞分裂都停顿的条件下，释放的能量也可以使糖酵解过程得以连续进展随后，争辩者分别出具有乙醇耐受性的大肠杆菌变异型菌株 KO11，这种菌株可以利用木糖作为原料产生超过 60g/L 的乙醇，这些被分别出来的菌株和 S. cerevisiae 和 Z. mobilis菌株相比，前者的乙醇耐受极限远远的超过后两者在后来的争辩中觉察，这种具有乙醇耐受性的突变型菌株中含有 non-functionalfnr 基因最近，在对受乙醇刺激的大肠杆菌中觉察，manX、manY, 和 manZ 基因表达水平有很大的增加gcv, betIBA 和 betT 基因以及甘氨酸和甜菜碱也和乙醇耐受性的增加有相关，后者主要是作为保护渗透剂5、嗜热菌对溶剂的应答由于对争辩其次代生物燃料极大兴趣，争辩者围围着这些产乙醇菌株进展了相关的争辩，以扩大其分解的范围，增加生产乙醇的力量争辩人员从一些极端的环境中分别出了一些具有代谢多样性和适应性强的菌株，尤其是从梭状芽孢杆菌属、厌氧杆菌属、Geobacillus中分别出的嗜热菌，所以利用气体流或低度真空进展高温发酵，在去除工艺上有较大的优势。

在早期的开发 C. thermocellum 乙醇耐受性菌株的过程中，人们已经得出一个结论，菌株的适应性应答会表现在如下方面，包括把握乙醇的产率、产量和浓度经报道，C. thermocellum 细胞膜中脂肪酸含量的削减、不饱和度、anteio-bran-ched 都与乙醇的刺激相关，结果导致了细胞膜流淌性的增加在 C. thermohydrosulfuricum 的争辩中觉察，当细胞膜裂开或糖酵解过程受到抑制的时候，菌株对乙醇的耐受性会降低2022 年曾经报道过有一种嗜热的乙醇耐受菌可以耐受 8%浓度的乙醇，当菌株受乙醇的刺激，且随着乙醇的浓度的不断提高，其次代的 adh 功能酶产生， 主要的 adh〔和乙醇的消耗有关〕缺少并且跨膜的脂肪酸的百分比会持续的增加，有人说，不同的耐受乙醇的嗜热菌，它们对乙醇耐受性的生物化学根底是不同的例如，C. thermocellum 在 1%乙醇浓度条件下，它的乙醇脱氢酶活性是被抑制的对 C. thermohy drosulfuricum 乙醇耐受性进展深入的争辩后觉察， 菌株对乙醇的耐受性是和温度有关，没有消灭膜的破坏或者对糖酵解过程的抑 制后来的争辩显示，C. thermohydrosulfuricum 对乙醇的耐受性与维持氧化复原反响的平衡、铁氧化复原蛋白偶联的 NAD 复原酶和偶联 NAD 的乙醇脱氢酶的削减相关。

6、结论与前景展望为了推动生物燃料的生产规模进程，发酵菌株对溶剂耐受性的生理生化机理必需要弄清楚，目前对具有水解碳水化合物的菌株争辩已经取得了很大的进展， 始终以来都认为，对乙醇耐受性的争辩具有很重要的意义然而，虽然很多的具有乙醇耐受性的菌株被不断的觉察分别出来，并且对它们的耐受机制都有肯定的报道，但是，坦白的说，目前对主要的一些产乙醇微生物的溶剂耐受性争辩还缺乏明确的生疏 通过开发一些组学争辩的工具是将来科学争辩的趋势高掩盖率和高品质的基因测序连续已经被广泛的应用于科学争辩，争辩者可以通过这项技术进展基因的比对、克隆、表达、对特定基因进展敲除等相关的争辩在全球性基因表达争辩中，基因组数据库和 DNA 的微列阵技术被广泛的应用近来在S. cerevisiae 对乙醇的短期刺激的争辩说明，乙醇的刺激对一些生理区域的基因表达量产生了巨大的影响，使其表达量增加，这些区域包括离子稳态区域， 热 保 护 区 域 和 能 量 控 制 区 域 相 似 的 研 究 方 法 也 被 应 用 在 对 C. acetobutylicum 乙醇耐受性的争辩中，并且定量的分析了 17 个纤维素降解基因的 MRNA 的表达量。

蛋白质组学技术被广泛的应用于各种菌株受到乙醇刺激后的生理生化反响的争辩中，最近有报道这项技术在澳球菌和 C. thermocellum的争辩中得到应用，争辩说明，这两种菌株在受到乙醇刺激后，其细胞膜膜蛋白的剖面构造发生了重大的转变在对环境的变化给菌株生长的生理生化反响所带来的影响的争辩中，我们不仅在于觉察潜在的基因靶，也增加了我们的生疏，也就是单一的基因突变对菌株整体生理反响的影响但是，只有将染色体组学与转录和蛋白质组学数据相结合起来，我们才能对全部的调控机制有一个正确的生疏，特别是在表型水平上将显得更加的重要通过整合与技术组学数据例如基因组重排，整体的转录过程和定向进化由于的争辩工具和综合平台的进展，将会给工业上的应用带来很大的帮助，在生物燃料。