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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 以馬鈴薯淀粉為原料生產(chǎn)燃料用酒精的基因工程酵母菌的研制
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品基于對(duì)馬鈴薯塊莖芽萌發(fā)時(shí)可快速降解自身淀粉的能力的觀察，借助基因工程技術(shù)，分離、克隆了馬鈴薯α-淀粉酶基因和黑曲霉γ-淀粉酶基因，培育了含上述2個(gè)基因的轉(zhuǎn)基因酵母菌，以此提高了馬鈴薯生淀粉直接進(jìn)行酒精發(fā)酵的效率。有望解決現(xiàn)行酒精發(fā)酵工藝中糖化和發(fā)酵分別進(jìn)行、由多個(gè)工藝步驟所帶來(lái)的高能耗和高物耗等問(wèn)題。使馬鈴薯這一高產(chǎn)經(jīng)濟(jì)作物的價(jià)值得以提升。
- 詳細(xì)介紹：
- 酒精發(fā)酵是在無(wú)氧條件下，由酵母、真菌、高等植物組織等降解葡萄糖成為以乙醇和二氧化碳為主要產(chǎn)物的代謝過(guò)程。據(jù)此，環(huán)境介質(zhì)中葡萄糖的有無(wú)是酒精發(fā)酵能否進(jìn)行的主要物質(zhì)條件。雖然馬鈴薯塊莖產(chǎn)量高、淀粉含量也相當(dāng)高，但因在現(xiàn)行酒精發(fā)酵工藝中糖化效率低而不被認(rèn)為是酒精發(fā)酵工業(yè)的良好原料。為解決這一問(wèn)題，我們擬從馬鈴薯中克隆出編碼馬鈴薯淀粉酶和黑曲霉來(lái)源的耐酸耐高溫γ-淀粉酶基因，經(jīng)體外構(gòu)建后導(dǎo)入酵母菌，培育出可有效降解馬鈴薯塊莖淀粉、并集糖化和發(fā)酵等多步驟過(guò)程為一步的轉(zhuǎn)基因酵母工程菌。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 馬鈴薯塊莖產(chǎn)量高、淀粉含量也相當(dāng)高，但因在現(xiàn)行酒精發(fā)酵工藝中糖化效率低而不被認(rèn)為是酒精發(fā)酵工業(yè)的良好原料。為解決這一問(wèn)題，我們擬從馬鈴薯中克隆出編碼馬鈴薯淀粉酶和黑曲霉來(lái)源的耐酸耐高溫γ-淀粉酶基因，經(jīng)體外構(gòu)建后導(dǎo)入酵母菌，培育出可有效降解馬鈴薯塊莖淀粉、并集糖化和發(fā)酵等多步驟過(guò)程為一步的轉(zhuǎn)基因酵母工程菌。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 本作品基于對(duì)馬鈴薯塊莖芽萌發(fā)時(shí)可快速降解自身淀粉的能力的觀察，借助基因工程技術(shù)，分離、克隆了馬鈴薯α-淀粉酶基因和黑曲霉γ-淀粉酶基因，培育了含上述2個(gè)基因的轉(zhuǎn)基因酵母菌，以此提高了馬鈴薯生淀粉直接進(jìn)行酒精發(fā)酵的效率。目前尚無(wú)同類研究成功的報(bào)道。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 利用基因操作技術(shù)構(gòu)建的轉(zhuǎn)基因酵母菌株可以穩(wěn)定地表達(dá)α-淀粉酶和黑曲霉γ-淀粉酶，不僅有望解決馬鈴薯塊莖生淀粉用于酒精發(fā)酵時(shí)效率低下的問(wèn)題，也將有望解決現(xiàn)行酒精發(fā)酵工藝中糖化和發(fā)酵分別進(jìn)行、由多個(gè)工藝步驟所帶來(lái)的高能耗和高物耗等問(wèn)題。它將不僅使馬鈴薯這一高產(chǎn)經(jīng)濟(jì)作物的工業(yè)用途得以擴(kuò)大、生產(chǎn)與開(kāi)發(fā)價(jià)值得以提升，而且將使以馬鈴薯生淀粉為原料生產(chǎn)的燃料用酒精具有較低成本的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 利用RT-PCR方法從馬鈴薯(S.tuberosum)莖段中克隆了amyA1基因(GQ406048.1)。采用半定量RT-PCR方法檢測(cè)了amyA1基因在馬鈴薯莖、葉等不同組織中的表達(dá)特異性，表明在莖組織中的表達(dá)豐度略高。利用生物信息學(xué)軟件分析了密碼子的偏好性，為選擇適宜的表達(dá)系統(tǒng)提供依據(jù)；同時(shí)對(duì)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)、細(xì)胞內(nèi)的定位、保守結(jié)構(gòu)及高級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了預(yù)測(cè).基于NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中有代表性物種的29種α淀粉酶構(gòu)建了基因進(jìn)化樹(shù)。結(jié)果表明：該基因全長(zhǎng)1224bp，編碼一條分子量為46.3951kDa的由407個(gè)氨基酸殘基組成的親水性胞外蛋白酶類。與NCBI收錄的馬鈴薯α淀粉酶基因（M79328.1）核苷酸及氨基酸序列同源性達(dá)98%，在20-348范圍內(nèi)氨基酸含有與淀粉酶13家族及亞家族相似的催化活性域（PF00128、SM00624）、在349-407范圍內(nèi)氨基酸含有α-淀粉酶C-末端β折疊區(qū)域（PF07821）。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)都表明該基因序列有維持淀粉酶活性的(β/α)8桶狀結(jié)構(gòu)以及其他幾個(gè)功能活性域結(jié)構(gòu)?；驑?shù)的構(gòu)建表明了α淀粉酶基因在不同種屬間的進(jìn)化以及同種間品種差異所引起的酶的差異。
獲獎(jiǎng)情況
- [1]王永剛,馬建忠,馬雪青等.馬鈴薯淀粉酶基因的克隆及生物信息學(xué)分析.食品科學(xué),已錄用. [2]王永剛,馬雪青,馬建忠等.巴斯德畢赤酵母GS115基因組研究進(jìn)展.食品工業(yè)科技,已錄用.2010.11 [3] WANG Yong-gang,Wang-Qian,MA Jian-zhong* Tao peng-fei,Su yi.Cloning and Sequence Analysis of Potato α-Amylase Gene. Genomics and Biotechnology,In Pressing 美國(guó)國(guó)家基因數(shù)據(jù)庫(kù)收錄基因序列： (1)馬鈴薯α-淀粉酶基因(amyA1)序列及其編碼氨基酸序列(GenBank收錄號(hào)：GQ406048)，pEamyA1克隆。 (2)馬鈴薯α-淀粉酶基因(amyA2)序列及其編碼氨基酸序列(GenBank收錄號(hào)：GU134783)，pEamyA2克隆。 (3)黑曲霉γ-淀粉酶基因(amyC1)序列及其編碼氨基酸序列(GenBank收錄號(hào)：HQ537427)，pEamyC克隆。
鑒定結(jié)果
- 無(wú)
參考文獻(xiàn)
- [1]Park K.H., Kim T.J.,Cheong T.K.,et al,2000,Structure, specificity and function of cyclomaltodextrinase,a multispecific enzyme of the α-amylase family. Biochimica et Biophysica Acta,1478:165-185 [2]Ghang D.M.,Yu L.,Lim M.H,et al, 2007,Ef?cient one-step starch utilization by industrial strains of Saccharomyces cerevisiae expressing the glucoamylase and α-amylase genes from Debaryomyces occidentalis.Biotechnol Lett,29:1203-1208 [3]Sun L.H,2006,Study on the Relation of the Function and α-Amylase Structure,Thesis for M.S.,HeNan Agricultural University,Supervisor:Chen H.G., pp.3-4 [4]Juge N.,N?hr J.,Le Gal-Co?ffet M.F.,et al.,2006,The activity of barley α-amylase on starch granules is enhanced by fusion of a starch binding domain from Aspergillus niger glucoamylase. Biochimica et Biophysica Acta, 1764:275-284
同類課題研究水平概述
- 乙醇發(fā)酵可謂歷史悠久，早在公元前2000年，人們就已經(jīng)掌握了釀酒的技術(shù)。除了乙醇作為飲料酒類等嗜好品外，乙醇燃料工業(yè)的發(fā)展逐漸受到世界各國(guó)的重視和青睞。受70年代“石油危機(jī)”的影響，許多國(guó)家開(kāi)始關(guān)注能源安全。乙醇以其優(yōu)越大的物理、化學(xué)特性不僅是一種優(yōu)良的燃料，同時(shí)作為一種優(yōu)良的燃油品質(zhì)改善劑受到重視。巴西、美國(guó)等根據(jù)本國(guó)的實(shí)際，實(shí)施了燃料乙醇計(jì)劃。近些年歐共體的國(guó)家也紛紛效仿，推行燃料乙醇給國(guó)家?guī)?lái)巨大的綜合收益：刺激農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、維護(hù)糧價(jià)、完善能源安全體系、減少對(duì)石油的依賴、節(jié)約外匯、增加就業(yè)、增加財(cái)政收入、改善燃油品質(zhì)及大氣環(huán)境質(zhì)量等。 我國(guó)屬于能源短缺的國(guó)家，我國(guó)政府也已經(jīng)在十五計(jì)劃綱要中啟動(dòng)了燃料乙醇計(jì)劃，而且試點(diǎn)建設(shè)了大型燃料乙醇生產(chǎn)裝置。在能源短缺和提倡環(huán)保的今天，各國(guó)政府都十分重視發(fā)展可再生清潔能源，燃料乙醇作為可再生清潔能源之一，展示了良好的前景。 乙醇發(fā)酵是厭氧發(fā)酵過(guò)程，酵母細(xì)胞在厭氧條件下將可發(fā)酵性糖轉(zhuǎn)化為乙醇和CO2。傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝一般為游離酵母細(xì)胞（Free yeast cells）間歇（Batch）或連續(xù)（Continuous）帶渣（對(duì)淀粉質(zhì)原料）發(fā)酵。目前，乙醇發(fā)酵的原料主要是淀粉質(zhì)原料，如玉米、薯干、木薯等。原料進(jìn)廠后經(jīng)清雜凈化進(jìn)入粉碎崗位，粉碎后的粉料按工藝要求的料水比進(jìn)行調(diào)漿，然后經(jīng)過(guò)酶法蒸煮（液化）、糖化、發(fā)酵及精餾等工藝步驟，最終得到產(chǎn)品乙醇。 發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇，是當(dāng)代世界生物技術(shù)產(chǎn)品中數(shù)量最大、對(duì)人類益處最大的產(chǎn)品。除了滿足人類對(duì)蒸餾酒和化工產(chǎn)品等需求，在21世紀(jì)它還將是人類可再生能源的主要組成部分。據(jù)有關(guān)專家預(yù)測(cè)，在21世紀(jì)未來(lái)的一百年中生物質(zhì)能源約占總能源組成的20％，其意義是非常重大的。 然而隨著世界糧食作物的局限性，各國(guó)科學(xué)家一方面著手改善傳統(tǒng)工藝路線，另一方面著手研究轉(zhuǎn)基因工程菌，利用一些非糧作物進(jìn)行發(fā)酵，生產(chǎn)乙醇的研究，但是都沒(méi)有獲得明顯的成績(jī)，因此利用轉(zhuǎn)基因操作技術(shù)來(lái)改善人類面臨枯竭的資源有一定的挑戰(zhàn)性和科學(xué)性。
