[发明专利]鉴定和使用在D-葡萄糖存在下代谢戊糖的酵母菌株的材料和方法

说明书

优先权

本申请要求2009年2月25日提交的美国临时专利申请号61/155,255的优先权，其通过引用全文纳入本文。

发明领域

各个方面总体涉及在显著水平的D-葡萄糖存在下，可以在除D-葡萄糖以外的糖上生长的酵母(Saccharomyces)菌株，以及开发和使用这些菌株的方法。

背景技术

酵母属的各个种是非常重要的工业培养的微生物。长期以来，这些微生物用于发酵面包、生产啤酒和葡萄酒，并作为食物调味剂和微量营养素来源，它们现在在燃料生产中起到核心作用，有利于将糖储备转化成乙醇。作为一种代谢复杂的生物体，酵母能够在有氧条件下生长，也能够在无氧条件下生长至少数代。商业培养时，例如在生产用于支持市售焙烤食品工业的酵母时，可以在通气的发酵罐中培养酵母如酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。在这些条件下可控制酵母生长，以提高酵母生物质的生成。可实现这一目的的一种方式是安排糖如D-葡萄糖的加入，以及氧气转移至酵母的速率以促进其有氧生长。也可以在设计用于最大程度提高乙醇产量的条件下培养各种酵母菌株。通常，相对于目的是最大程度提高酵母生物质生成以利于无氧生长时发酵容器中采用的氧气水平，当目的是最大程度提高糖向乙醇的转化时发酵容器中的氧气水平可降低。

大部分酵母菌株优选在D-葡萄糖上生长，尽管已知许多菌株也能够在其它天然产生的己醣、甚至是一些二糖上生长。不同酵母属品种在不同糖和不同氧气水平下生长的能力很大程度上代表它的商业利用价值，包括酵母在当前的燃料工业中将植物生物质转化成乙醇中起到的核心作用。

一种最熟知的用酵母生产乙醇的途径是将6碳糖(己醣)，特别是D-葡萄糖发酵成乙醇(图1)。乙醇生产中广泛使用的一种原料是多糖淀粉。淀粉是包含D-葡萄糖的简单聚合物。目前在美国，至少来自玉米的淀粉是通过酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)生产乙醇的优选原料。玉米是富含营养的作物，目前只有玉米仁是适用于酵母乙醇发酵的淀粉/D-葡萄糖的合适来源。基于酵母的乙醇生产所用的另一糖源是甘蔗。天然条件下，甘蔗的可发酵糖含量更高，可能是用酵母生产乙醇的优选底物。然而，与甘蔗相比，玉米在美国的种植更广泛。鉴于气候原因，这种状况很可能保持如此。无论如何，基于玉米的乙醇生产的可持续性已经受到质疑，由于甘蔗在美国并不是可行的选择，生物燃料工业正在寻找除玉米和甘蔗外可发酵原料的其它来源。

一种倍受追捧的原料是纤维素，认为它的可持续性优于玉米，并且比甘蔗更容易获得。经加工产生可发酵糖的纤维素完全可以作为将来乙醇生产的碳源选择。培养酵母以提高酵母生物质或由原料如淀粉或纤维素产生乙醇时，需要预先发酵加工步骤将生物聚合物纤维素降解成易由酵母发酵的糖单位，如D-葡萄糖、麦芽糖、三糖和四糖。

无论来源如何，六碳糖，特别是D-葡萄糖是基于酵母的发酵过程的主要能量来源。已鉴定的酵母属的大多数品种优选在D-葡萄糖上生长。其中许多菌株，包括许多实验室衍生的酵母菌株都可以在除D-葡萄糖以外的己糖以及二糖和三糖上生长。然而，酵母菌对于在D-葡萄糖上生长的优选性非常强，以至于酵母的大部分变异体，包括几乎所有的工业重要菌株，都表现出分解代谢物抑制作用，即只要原料中存在可检测水平的D-葡萄糖，该菌株就不会发酵除D-葡萄糖以外的糖。

对于由包含含有D-葡萄糖的可发酵糖混合物的任何原料生产酵母生物质和/或乙醇而言，所有检测的酵母菌株不能在D-葡萄糖存在下借助D-葡萄糖以外的糖快速生长并产生乙醇是非常不幸的。例如，将纤维素性生物质降解成其可发酵组分时释放D-葡萄糖，可发酵糖混合物中存在D-葡萄糖会显著减缓其它糖向乙醇的转化(图1)。

尽管目前由纤维素产生乙醇有技术障碍，但2007年能源独立和安全法案(Energy Independence and Security Act，EISA 2007)要求美国要快速开发生产纤维素乙醇的技术，以替代进口的石油。因此，需要即使在显著量的D-葡萄糖存在时，也易于将糖、而不是仅将D-葡萄糖转化成生物质或乙醇的新型工业酵母菌株，以及产生这些工业菌株的方法。本发明某些方面解决了这些需求。

发明概述