出品：科普中國

作者：Denovo團隊

監制：中國科普博覽

酵母是我們生活中最為熟悉的微生物之一，蒸饅頭和烤面包用面包酵母，釀造啤酒用啤酒酵母。除此之外，還有很多稀奇古怪的酵母，比如能夠“吃”甲醇高產蛋白的酵母（如巴斯德畢赤酵母），以及“吃”木糖瘋狂長身體的酵母（如多形漢遜酵母）。

未來還會產生有更多功能的新酵母嗎？科學家們的回答是：當然！

酵母就是一個細胞工廠

在了解科學家如何“創造”更多新酵母之前，我們先來看看酵母是怎么“工作”的。

面包酵母和啤酒酵母雖然都屬于釀酒酵母，但面包酵母的特長是“吃糖產氣”，產生的二氧化碳使饅頭或面包多孔、松軟；而啤酒酵母的特長是“吃糖產酒精”，當然還會產生其他少量香氣成分，從而使酒水具有各種風味。

干酵母（圖片來源：Veer圖庫）

我們以釀酒酵母“吃葡萄糖產乙醇”為例，把酵母看作一個工廠，葡萄糖就是原料，原料運輸到工廠（也就是酵母細胞內），在不同“車間”中加工，一步一步轉化為產品——乙醇和二氧化碳。

酵母細胞（圖片來源：Veer圖庫）

我們目前所擁有的酵母雖然品種多樣，但我們還想要擁有功能多樣且具有高性能的酵母。

要想擁有更多種類的酵母，重點就在于改造“工廠”?？蒲泄ぷ髡呦氲降霓k法就是基因編輯。改變酵母工廠的設計圖紙（酵母細胞的基因序列），從而改造工廠布局，然后根據新圖紙調整“車間”的數量和功能。

基因編輯相當于使用一把自帶導航功能的剪刀，可以根據人為設定，精確地在酵母染色體的相應位置切出一個缺口，然后通過目標DNA序列修復缺口，從而達到基因編輯的作用。

基因工程師對基因進行人為修改（圖片來源：Veer圖庫）

很多科學家做酵母方面的研究，如美國科學院院士Jay Keasling教授團隊通過改造釀酒酵母，合成了抗瘧疾藥物青蒿素的前體——青蒿酸，為全球范圍內治療瘧疾作出重要貢獻，也證明了酵母“大有所為”。

酵母：去整點葡萄糖來吃吃

我們在上面的例子里提到的酵母，都是在“吃”了葡萄糖之后才開始發揮作用的，葡萄糖是酵母最喜歡“吃”的“食物”。

然而，葡萄糖主要來源于糧食，把葡萄糖給酵母“吃”意味著酵母會與人爭糧食。有什么辦法可以在不減少糧食的情況下“喂飽”酵母呢？

這就是科學家們正在考慮的問題。

近年來，國家鼓勵大力發展非糧生物質資源，其中就包含木質纖維素。

雖然“木質纖維素”這一名詞聽起來可能有些陌生，但它是一種非常普遍且易于獲取的物質，是木材和農作物秸稈的主要結構組成部分。它是一個復雜而多元的“大家庭”，主要由三個關鍵元素構成。

纖維素是葡萄糖組成的“大個頭”多糖，植物細胞壁的主要成分，是自然界中分布最廣、含量最豐富的多糖之一；半纖維素是多種不同類型的單糖構成的“聚合體”,它在細胞之間形成了一種堅固的纖維狀網絡，實現了細胞之間的緊密連接；木質素則是構成植物細胞壁的成分之一，它作為纖維的“支架”強化了整個木質纖維素的結構。

木質纖維素是一種極具價值的天然可再生資源，具有廣泛的應用潛力，可以作為生物發酵、生物化工的原料。

是的，它可以是酵母的營養來源。

一種堅固、可生物降解和可回收的木質纖維素生物塑料（圖片來源：參考文獻[5]）

然而，由于其結構非常穩定，很難被直接利用。因此，需要通過特定的處理方式，例如使用強酸或強堿，來分解纖維素和半纖維素為其基礎單糖成分（如葡萄糖和木糖），這些基礎單糖就可以被某些酵母直接利用了。

不過，這并不是說現在培養酵母就可以完全舍棄糧食而使用木質纖維素，原因主要在于木質纖維素需要水解變為單糖才能為酵母所利用，而制備水解液的成本還是比較高的，并且水解液中除了主要成分葡萄糖和木糖外，還有一些抑制物成分（如糠醛、呋喃等），對酵母生長具有一定的抑制作用。所以，目前利用木質纖維素水解液進行微生物發酵并未得到廣泛應用。

“一箭三雕”喂飽酵母

酵母最愛“吃”葡萄糖，當葡萄糖和木糖同時存在時，酵母優先吃葡萄糖，等葡萄糖吃完才會吃木糖，這就使得酵母利用木質纖維素水解液的速度比較慢。

如何能讓酵母高效利用木質纖維素水解液呢？

近期，中國科學院周雍進研究員團隊通過基因工程改造了多形漢遜酵母，在不影響葡萄糖消化速度的前提下，加強了酵母對木糖的吸收和消化速度，從而實現了葡萄糖和木糖的同步利用，提高了多形漢遜酵母對于木質纖維素水解液的利用效率，并通過改造多形漢遜酵母合成了脂肪酸和3-羥基丙酸。

中國科學院實現木質纖維素生物煉制高效合成脂肪酸和3-羥基丙酸（圖片來源：中國科學院周雍進研究員團隊）

相比可以形成油脂的脂肪酸，3-羥基丙酸這個詞對我們來說比較陌生。

其實，3-羥基丙酸可以作為很多化學品的原料，例如3-羥基丙酸可以聚合為聚-3-羥基丙酸，它作為可降解塑料，如果大量使用可以緩解“白色污染”；3-羥基丙酸還可以脫水形成丙烯酸，進一步可以制備成丙烯酸樹脂，而丙烯酸樹脂就是裝修涂料和油漆的主要成分，這些都與我們的生活密切相關。

多形漢遜酵母利用木質纖維素原料高效合成脂肪酸和3-羥基丙酸示意圖（圖片來源：中國科學院周雍進研究員團隊）

我國科學家通過木質纖維素生物煉制生產脂肪酸和3-羥基丙酸，木質纖維素作為非糧生物質，與傳統的葡萄糖生物煉制相比，能夠避免“與人爭糧”，而且減少秸稈、廢木材直接燃燒造成的大氣污染，可謂“一箭三雕”。

結語

酵母細胞工廠在科學研究中顯示出了極高的應用價值，科學家通過精準的基因編輯技術改造酵母，合成了一系列高附加值產品，如生物燃料、精細化學品、香料和食品添加劑等。然而傳統的以葡萄糖為原料的生物煉制可能出現與人爭糧的困境，為了應對這一困境，改造后的酵母能夠有效利用木質纖維素水解液中的葡萄糖和木糖，同時也響應國家發展非糧生物質的號召。

實驗研究已經展示了通過改造多形漢遜酵母利用葡萄糖和木糖合成脂肪酸和3-羥基丙酸可行性，證明了木質纖維素生物煉制的巨大潛力。隨著科學界和產業界不懈努力，未來木質纖維素將被廣泛應用于更多產品的生產過程中，為我國生物化工產業的可持續發展提供強有力的支持。

參考文獻：

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[7] Yu W., Cao X., Gao J.Q., Zhou Y.J. Overproduction of 3-hydroxypropionate in a super yeast chassis, Bioresour. Technol., 2022, 361, 127690.

來源: 中國科普博覽

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