农业废弃物中的生物工程酵母饲料

数千年来，酵母一直被用于生产啤酒和葡萄酒，并为面包添加绒毛和风味。它们是大自然的小工厂，可以以水果、谷物和其他营养素中的糖分为食，并从这些菜单中生产用于饮料的酒精，以及使面包上升的二氧化碳。

现在，工程学院的研究人员报告说，正在制造改性酵母，这种酵母可以以更广泛的材料为食，其中许多可以从我们不使用的农业副产品中获得 – 叶子，外壳，茎，甚至木屑，通常被称为“废物生物质”。

为什么制造可以以这些农业剩菜为食的酵母很重要？

近年来，科学家们对酵母进行了改良，以制造其他有用的产品，如药品和生物燃料。这是一种聪明的方法，可以让大自然以一种不需要有毒化学物质的方式完成我们的工作。这项技术被称为“合成生物学”，还很年轻，但展望未来酵母生物合成生产将非常大规模地运行，我们需要用我们自己需要吃的东西以外的东西来喂养酵母。

工程酵母在生物质糖上生长

塔夫茨团队制造的新型酵母可以以木糖、阿拉伯糖和纤维二糖等糖为食，这些糖可以从作物难以消化的木质部分中提取，这些部分通常在收获后被扔到一边，如玉米秸秆、外壳和叶子以及小麦茎。每年产生约13亿吨这种废弃生物质，提供的糖分足以推动庞大的酵母生物合成产业。

“如果我们能让酵母以废弃生物质为食，我们就可以创造一个低碳足迹的生物合成产业，”化学和生物工程副教授Nikhil Nair说。“例如，当我们燃烧酵母制成的生物燃料时，我们会产生大量的二氧化碳，但二氧化碳在第二年被重新吸收到作物中，酵母以这些二氧化碳为食来制造更多的生物燃料，等等。

最少的工程设计，实现最大产量

Nair和他的团队认为，有效消耗废弃生物质糖的最佳机会可能是修改现有的遗传“仪表板”，酵母使用该仪表板来调节半乳糖的消耗，半乳糖是乳制品中常见的糖。

该仪表板称为调节子，包括检测糖存在的传感器基因，并触发糖化学分解的酶，因此其碳和氧成分可以重建为新成分。新成分主要是酵母本身生存所需的小分子和蛋白质，但它们也可能是科学家可能已经设计到酵母中的新产品。

在早期的一项研究中，研究人员修改了半乳糖调节子，使传感器检测到生物质糖木糖，并触发酶处理木糖而不是半乳糖。

“让酵母在木糖上生长是一个重要的进步，”奈尔实验室的研究生肖恩沙利文说，他共同领导了最近的研究，“但重新设计不同的酵母生物以在每个生物质糖上生长并不是最好的方法。我们想设计一种酵母生物，可以以完整或几乎完整的生物质糖菜单为食。

Sullivan只对已经为木糖设计的调节子进行了最小的改变，将传感器蛋白改为更普遍地接受木糖，阿拉伯糖和纤维二糖。除了一些小的变化外，新的调节体允许酵母生物体在这三种糖上生长，其速度与在天然糖葡萄糖和半乳糖上生长的酵母相当。

“通过使用与细胞生长和存活相关的天然调控网络，我们可以采取最小的工程方法来修改和优化糖的消耗，”共同领导这项研究的博士后研究员Vikas Trivedi说。“碰巧酵母有在非天然糖上生长的机器，只要我们调整传感器和调节器来识别这些糖。

改进生产后端

重塑酵母以在废弃的生物质糖上生长为改善生物合成产品的生产奠定了基础，其中包括胰岛素、人类生长激素和抗体等药物。酵母也被设计成通过表达刺激免疫系统的小病毒片段来生产疫苗。

事实上，酵母可以重新设计以产生用于制造药物的天然化合物，否则这些化合物很难获得，因为它们必须从稀有植物中提取。这些包括用于缓解晕动病和术后恶心的东莨菪碱，用于治疗帕金森病患者的阿托品，以及用于治疗疟疾的青蒿素。

乙醇是一种众所周知的由酵母产生的生物燃料，但研究人员也设计了这种生物体来生产其他燃料，如异丁醇和异戊醇，每升可以提供比乙醇更多的能量。

生物工程酵母还可以生产生物塑料的构建块，例如聚乳酸，然后可用于制造各种产品，包括包装材料和消费品，而无需从石油来源中提取。

“在研究界继续创新酵母以制造新产品的同时，我们正在准备生物体在农业废物生物质上有效生长，关闭迄今为止无法制造燃料，药品和塑料的碳循环，”Nair说。