在食品、醫藥、可降解塑料等行業(yè)，L-乳酸扮演著(zhù)關(guān)鍵角色。但傳統工藝需加入大量中和劑，不僅成本高，還帶來(lái)廢渣污染。乳酸作為一種關(guān)鍵的生物基化學(xué)原料，廣泛應用于食品、醫藥、化妝品及可降解塑料（如聚乳酸PLA）等多個(gè)領(lǐng)域。然而，傳統微生物發(fā)酵在生產(chǎn)L-乳酸過(guò)程中，由于微生物對酸性環(huán)境耐受性差，乳酸積累會(huì )迅速導致pH下降，嚴重抑制微生物生長(cháng)，影響發(fā)酵效率。為維持發(fā)酵平衡，通常需要大量添加中和劑如碳酸鈣，不僅提高生產(chǎn)成本，還伴隨副產(chǎn)物如硫酸鈣的生成，帶來(lái)環(huán)境與資源負擔。
近日，江南大學(xué)呂雪琴教授團隊在《J. Agric. Food Chem.》發(fā)表研究成果，成功打造出全球首例在pH 2.6無(wú)中和劑條件下高效生產(chǎn)乳酸的釀酒酵母菌株，產(chǎn)量高達76.2 g/L，生產(chǎn)效率刷新紀錄！
圖1 文獻基本信息
圖2 圖形摘要
在本研究中，為實(shí)現基因定點(diǎn)敲除與重組菌株構建，作者首先利用攜帶Cas9表達框和sgRNA表達盒的PML104質(zhì)粒構建了釀酒酵母的CRISPR-Cas9系統，同時(shí)質(zhì)粒還包含用于篩選的尿嘧啶選擇標記。在該系統中，sgRNA可指導Cas9蛋白在目標DNA上產(chǎn)生雙鏈斷裂，隨后借助上下游長(cháng)度為1000 bp的同源臂介導的同源重組機制完成靶基因的敲除或整合。三段所需的DNA片段均通過(guò)PCR擴增獲得，并在設計時(shí)保留有50 bp的重疊序列，以促進(jìn)DNA片段的重組拼接。線(xiàn)性片段和質(zhì)粒以2∶1的比例共轉化入感受態(tài)釀酒酵母細胞，以構建重組菌株。
為了提高酵母菌株對酸性環(huán)境的適應能力，作者進(jìn)一步實(shí)施了適應性實(shí)驗室進(jìn)化實(shí)驗。在該過(guò)程中，以L(fǎng)-乳酸為選擇壓力，通過(guò)逐步調控酵母提取物蛋白胨葡萄糖（YPD）培養基的pH值，實(shí)現對酵母菌株的選擇進(jìn)化。此外，為實(shí)現外源基因的高效表達，作者對目標基因進(jìn)行了密碼子優(yōu)化。
圖3 篩選耐L-乳酸的釀酒酵母底盤(pán)菌株
圖4 乳酸脫氫酶的篩選
為評估重組釀酒酵母在不同發(fā)酵條件下生產(chǎn) L-乳酸的能力，作者首先在實(shí)驗室規模下進(jìn)行了搖瓶發(fā)酵實(shí)驗。具體而言，預培養的酵母種子液在含 3 mL YPD培養基中培養約 20 小時(shí)后，接種至 250 mL 厭氧搖瓶中，每瓶含 40 mL YPD培養基，發(fā)酵過(guò)程在 30℃、220 rpm 條件下進(jìn)行 48 小時(shí)，并采用間歇葡萄糖補料以維持碳源供給。每個(gè)菌株均設置三個(gè)平行重復，以確保數據的可重復性與統計學(xué)穩健性。進(jìn)一步地，為考察其在放大培養條件下的代謝性能，作者在 5 L 生物反應器中進(jìn)行了規?；l(fā)酵。使用的發(fā)酵培養基中包含了大豆蛋白胨、酵母提取物、葡萄糖、KH?PO?、MgSO?、檸檬酸及微量金屬元素和維生素，以支持酵母細胞的生長(cháng)和產(chǎn)酸能力。發(fā)酵過(guò)程在 30℃、200 rpm、厭氧環(huán)境下持續約 36 小時(shí)，并通過(guò)連續補料的方式將葡萄糖濃度維持在 5 g/L 左右，整個(gè)過(guò)程中未添加中和劑。
圖5 通過(guò)“推-拉-抑制”策略提高L-乳酸產(chǎn)量
圖6 轉運蛋白和輔因子工程進(jìn)一步提高L-乳酸滴度
為定量分析目的基因的表達水平，研究團隊利用熒光定量逆轉錄PCR（qRT-PCR）技術(shù)對關(guān)鍵轉錄本進(jìn)行了檢測?？俁NA提取采用市售RNA提取試劑盒完成，經(jīng)RT-PCR合成的cDNA用作熒光定量分析模板。qPCR反應體系體積為 20 μL，使用 SYBR Premix Ex Taq 試劑，內參基因為釀酒酵母 18S rDNA，實(shí)時(shí)熒光檢測則在 Roche LightCycler 480 II 系統上進(jìn)行。發(fā)酵產(chǎn)物中 L-乳酸的濃度通過(guò)高效液相色譜（HPLC）進(jìn)行檢測。
本研究圍繞L-乳酸的綠色生物制造，構建并優(yōu)化了多種工程化釀酒酵母菌株，實(shí)現了在無(wú)中和劑條件下的高效發(fā)酵生產(chǎn)。通過(guò)適應性實(shí)驗室進(jìn)化，作者成功獲得了能夠耐受pH 2.60的工程菌株TMG2，為后續代謝通路的精準重構奠定了穩定的底盤(pán)基礎。在此基礎上，研究團隊篩選出高活性的乳酸脫氫酶LLDH，并進(jìn)一步引入“推—拉—抑制”代謝策略，實(shí)現了L-乳酸合成路徑的系統優(yōu)化，其中TMG16菌株的終產(chǎn)物滴度達到了46.8 g/L。
本研究的亮點(diǎn)在于整合長(cháng)期適應性進(jìn)化與多層次代謝工程手段，不僅顯著(zhù)提高了菌株對強酸環(huán)境的適應能力，也在無(wú)中和劑條件下大幅提升了L-乳酸的產(chǎn)量和生產(chǎn)效率，為綠色、可持續的生物制造提供了有效策略。該體系的建立對于減少傳統中和劑使用、降低生產(chǎn)成本和減緩環(huán)境負擔具有重要現實(shí)意義。
參考文獻：Baoyuan Guo, Wenwen Yu, Xianhao Xu, et al. Adaptively Evolved and Multiplexed Engineered Saccharomyces cerevisiae for Neutralizer-Free Production of L?Lactic Acid. ACS.jafc.4c12575.DOI:10.1021/acs.jafc.4c12575
來(lái)源：微生物安全與健康網(wǎng)，作者~趙瑾。
