快速筛选方法以酵母中的脂肪酸为目标,是可持续生物产品的关键

时间:2020-06-24 19:38 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

快速筛选方法以酵母中的脂肪酸为目标,是可持续生物产品的关键

科学家为可再生燃料和生物产品设计有价值的微生物,已经开发出一种快速、有效的方法来识别最有希望的品种。

伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的研究人员开发了一种基于质谱仪的新型筛选技术,可以快速分析酵母产生的中链脂肪酸——这是更大范围的游离脂肪酸的一部分,这些游离脂肪酸是必需营养素、肥皂、工业化学品和燃料的关键成分。他们还发现了酵母酵母酵母菌的7个新的基因工程突变体,可以产生更高水平的脂肪酸。

这项研究的详细内容发表在《生物技术与生物工程》杂志上的一篇论文中。研究中心的执行先进的生物能源和Bioproducts创新(CABBI),美国能源部Energy-funded生物能源研究中心,由两个U(我教授:惠民赵,化学和生物分子工程学教授(ChBE)和乔纳森?Sweedler教授化学和化学科学学院的主任。该研究的第一作者是蒲雪,她是赵在CABBI实验室的博士生。

赵的研究小组对微小的酵母细胞进行基因改造,以提高脂肪酸的产量。脂肪酸是生物柴油、脂肪醇、蜡和烯烃的关键成分,而烯烃是制造洗涤剂、粘合剂和塑料的基础材料。CABBI的目标是开发出健壮的酵母菌,可以将可再生植物生物量转化为燃料和化学品,作为一种环境友好和可持续的选择,以替代基于石油的化学生产过程。

科学家可以建立一个大型的工程酵母菌库,或突变体,生产各种MCFAs非常快,薛说。但是他们控制这些微生物细胞工厂生产的MCFAs的确切成分的能力是有限的,没有“高产量”的方法来快速分析大量样本。

为了克服这一限制,薛和其他研究人员与Sweedler的团队合作开发了一种高通量筛选工具,一种基于MALDI-ToF MS(基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱)的化学表征方法。质谱是一种信息丰富的方法来分析复杂的样品,通过测量他们的质量电荷比的离子。激光射向载玻片上的酵母菌落;该仪器测量了酵母中脂质的分子质量,从而能够识别它们。

大多数现有的检测或分析游离脂肪酸的方法依赖于更复杂的气相或液相色谱-质谱法,被认为是金标准方法。但这些方法在处理大量变量时存在局限性,而且准备样本既耗时又费力。

使用MALDI-ToF质谱系统的整体方法速度更快,并已成功应用于蛋白质和多肽。ToF质谱仪速度快、成本低、检测窗口大,适用于筛选复杂的生物靶标。

但是中链脂肪酸的挥发性和重量都很轻,因此很难用这种方法检测和定量。此外,酵母厚厚的细胞壁为研究人员有效分解细胞成分带来了另一个挑战。

因此,CABBI研究人员优化了不同溶剂和基质的样品制备步骤。他们没有尝试直接检测MCFAs,而是使用了一种替代方法:酵母细胞中的膜脂。他们假设,较短的酰基链磷脂酰胆碱(PCs)的膜脂水平升高,与产生MCFAs的能力相关,MCFAs的长度短于通常在酿酒酵母中发现的丰富脂肪酸。

为了验证这一假设,加州大学的科学家们将自然产生的酵母的MALDI-ToF MS图谱与之前发现的两种能产生更高水平MCFAs的基因工程菌株进行了比较。数据显示,这两种突变体的酰基短链PCs比自然产生的酵母多。这些初步的发现随后被更精确的液相色谱法和片段质谱法所证实。

CABBI小组成员已经掌握了筛选方法,开始寻找更多具有较高MCFAs产量的突变株。他们在质谱上发现了两个与磷脂相关的显著峰,磷脂是脂肪酸的一种指示。这些被用作MCFA生产的标志。

正如Sweedler所指出的,“质谱测量每小时可以快速分析多达2000个酵母菌落(大约每两秒一个样品),而传统方法下每个样品需要30分钟。”处理时间也大大缩短:每个样品2至3分钟,而不是3至4小时。总的来说,MALDI-ToF MS筛选工具使科学家能够快速识别需要更详细分析的菌株。

“我们的方法允许我们在短时间内筛选大量突变体。我们可以从中挑选出优秀的学生继续深造。”

在未来,该方法可以改进并用于其他类型产品的高通量筛选,如长链脂肪酸或脂肪醇,节省时间和劳动力。

研究人员希望在CABBI的ibiofab(伊利诺斯州高级生物制造生物铸造厂)的基础上继续研究。它的机器人系统可以加速样品制备,提供更快、更准确的结果,帮助扩大项目规模,测试更多的突变菌株,薛说。在酿酒酵母中大约有6000个基因,可以发现数以百万计的潜在协同效应和特征。

除了科学之外,这些C6到C12脂肪酸对人类健康也很重要,它们提供重要的营养和有用的产品,例如-3脂肪酸。

“在未来,如果我们可以直接大规模地从微生物细胞(如酵母)中生产生物燃料和脂肪酸等生物产品,那就意味着我们不需要使用汽油,”薛说。“我们可以拯救环境,也可以节省很多钱。”

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