工程实验室廖学品教授课题组：胶原多肽提高酿酒酵母糠醛胁迫耐受性以促进乙醇合成

纤维素乙醇是一种可替代燃油的绿色生物燃料，不仅能降低能源消费对石油的依赖，还可减少温室气体的排放，保护生态环境。然而，木质纤维素预处理阶段产生的糠醛会对酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）造成严重的胁迫损伤，制约纤维素乙醇的高效合成。因此，增强菌株耐受糠醛胁迫的能力，以促进乙醇的生物合成，对于突破纤维素乙醇发酵瓶颈至关重要。脯氨酸（Proline, Pro）是一种常见的胁迫保护剂，但S. cerevisiae自身的Pro合成能力有限，而外源添加Pro将增加生产成本。胶原蛋白是Pro的主要天然来源，也是一种可再生的生物质资源。胶原多肽（Collagen peptide, CP）是胶原蛋白水解产物，更容易被微生物利用。与其他蛋白相比，CP的氨基酸组成特殊，除了含有Pro外，还含有大量的甘氨酸（Glycine, Gly）和羟脯氨酸（Hydroxyproline, Hyp）。

基于上述背景，四川大学制革清洁技术国家工程实验室廖学品 教授团队以S. cerevisiae为实验菌株，胶原多肽为研究对象，系统研究了胶原多肽的糠醛胁迫保护功能及相关的分子机制。首先，探究了CP在不同浓度糠醛胁迫下对细胞形态和超微结构的影响，结果发现高浓度糠醛会对细胞形态和超微结构造成严重的胁迫损伤，而引入CP则可以保护细胞，在一定程度上保持细胞形态完整、维持细胞超微结构的稳定（图1）。

图1 胶原多肽对糠醛胁迫下S. cerevisiae形态的影响: (a-d) NS和2CP, 1Fu和1Fu_2CP, 2Fu和2Fu_2CP, 以及4Fu和4Fu_2CP培养基中的S. cerevisiae分别在6和48 h的细胞形态; (e-g) 2CP, 2Fu和2Fu_2CP培养基中的S. cerevisiae在48 h的超微结构形态图

糠醛的存在会抑制葡萄糖的利用，降低乙醇的产量（图2）。而引入CP后，葡萄糖的利用率大幅提升，乙醇的产量也明显提高。比较CP和其他多肽的乙醇发酵性能，发现含有CP的培养基中葡萄糖利用率和乙醇产量均高于其他培养基。此结果表明CP更有利于促进乙醇的生物合成，这可能与其特殊的氨基酸组成有关。因此，进一步监测了胞内氨基酸含量的变化规律，发现10GF_4CP中S. cerevisiae胞内Pro、Gly、Hyp含量均高于其他培养基（图3）。此外，研究了氨基酸的添加对乙醇发酵过程的影响，发现10GF在72 h乙醇浓度仅达到29.4 g/L，而10GF_Gly、10GF_Pro和10GF_Hyp中乙醇浓度分别达到31.9、33.0和33.4 g/L。这表明Pro、Gly和Hyp均能提升S. cerevisiae对糠醛胁迫的耐受性，从而提高乙醇产量。

图2 比较胶原多肽与其他保护剂的乙醇发酵性能: (a-c) 10G, 10GF, 10GF_4CP, 10GF_4SA, 10GF_4ADP和10GF_4Urea在48 h的葡萄糖浓度, DCW和乙醇产量; (d-f) 10GF_4CP, 10GF_4SP, 10GF_4MP和10GF_4BLP分别在48 h的葡萄糖浓度, DCW和乙醇产量