Отримання практично цінних сполук з використанням рекомбінантних дріжджів Saccharomyces cerevisiae. Частина 1: Синтез етанолу, бутанолу та ізобутанолу

Abstract

У пропонованому огляді зроблено аналіз сучасної наукової літератури щодо отримання етанолу, бутанолу та ізобутанолу з використанням генетично модифікованих клітин S. cerevisiae. Сучасні дослідження щодо можливості отримання біоетанолу за допомогою мікробного синтезу спрямовані на використання лігноцелюлозної сировини як поновлювального джерела енергії, тому метою конструювання рекомбінантних штамів S. cerevisiae є створення клітин, здатних споживати цукри лігноцелюлозних матеріалів. Оскільки сахароміцети не здатні катаболізувати ксилозу, модифікацію дріжджів проводять, використовуючи такі гетерологічні шляхи, як ксилозоредуктазно-ксилітолдегідрогеназний або ксилозоізомеразний. Наступним завданням є створення штамів S. cerevisiae, здатних одночасно зброджувати змішані цукри лігноцелюлозних матеріалів. У процесі попередньої обробки лігноцелюлозної сировини фізичними чи хімічними методами утворюється велика кількість токсичних сполук, які є інгібіторами мікробної ферментації, тому одним із завдань є конструювання S. cerevisiae, що будуть стійкими до дії різних інгібіторів. Мікробіологічне виробництво бутанолу було одним з перших широкомасштабних промислових процесів глобального значення. Дослідження цього процесу, незважаючи на його столітню історію розвитку, продовжуються і нині. Природними продуцентами бутанолу є бактерії роду Clostridium. Через ряд недоліків їх застосування увагу науковців привертають інші мікроорганізми, які широко використовуються у промислових масштабах, зокрема дріжджі S. cerevisiae. Ізобутанол є біопаливом наступного покоління. Це побічний продукт синтезу валіну у S. cerevisiae. Для збільшення його синтезу створюють рекомбінантні штами дріжджів, використовуючи різні стратегії генетичної та метаболічної інженерії. With the development of genetic engineering methods, the yeast Saccharomyce s cerevisiae began to be used as an expression platform for the production of practically valuable compounds, in particular alcohol, which can be used as biofuel. Today S. cerevisiae cells are a widely studied model eukaryo system at the molecular level, which can be used with a large number of available genetic tools. This review analyzes the modern scientific literature on the production of ethanol, butanol and isobutanol using genetically modified S. cerevisiae cells. Modern research on the possibility of obtaining bioethanol using microbial synthesis is aimed at using lignocellulosic raw materials as a reducing energy source. Therefore, the aim of constructing recombinant S. cerevisiae strains is to create cells that will be able to consume sugar of lignocellulosic materials. Since Saccharomycetes are not capable for catabolizing xylose, yeast modification is carried out using such heterologous pathways as xylose reductase-xylitol dehydrogenase or xylose isomerase. The next challenge is to create S. cerevisiae strains that are capable for simultaneously fermenting mixed sugar of lignocellulosic materials. Since in the process of pretreatment of lignocellulosic raw materials by physical or chemical methods, a large number of toxic compounds are formed that are inhibitors of microbial fermentation, one of the tasks is to design S. cerevisiae that will be resistant to the effects of various inhibitors. The microbiological production of butanol was one of the first large-scale industrial process of global importance. Research of this process, despite its 100-year history of development, continues nowadays. Bacteria of the genus Clostridium are natural butanol producer. Due to a number of disadvantages of their use, the attention of scientists is attracted by other microorganisms that are widely used on an industrial scale, in particular the yeast S. cerevisiae. Isobutanol is the next generation biofuel. This alcohol is a byproduct of the synthesis of valine in S. cerevisiae. To increase its synthesis, recombinant yeast strains are created using various strategies of genetic and metabolic engineering.