năng lên men ethanol
Vấn đề khó khăn ởZ. mobilis là :
Không có khả năng chuyển hóa các polysaccharide phức tạp như : cellulose, hemicellulose và tinh bột thành ethanol.
Tạo ra các sản phẩm phụ như : sorbitol, acetoin, glycerol và acid acetic.
Hình thành một loại polymer levan ngoại bào.
Để giải quyết những vấn đề trên, người ta tiến hành các kỹ thuật di truyền trênZ. mobilis nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng của Z. mobilis, có nghĩa là gen
mã hóa cho các enzyme thủy phân từ các loài vi khuẩn có liên quan sẽ được phát triển thành dòng vô tính rồi sau đó được cấy truyền vàoZ. mobilis. Một điều thú vị
nữa là, một loại operon được quan tâm (sản xuất ethanol) được tạo ra bằng cách kết nối hai gen pdc (pyruvate decarboxylase) và adhII (alcohol dehydrogenase) của Z. mobilis được cấy truyền vào các chủng vi khuẩn khác làm cho chúng có hoạt tính lên men ethanol. Ngoài ra, nhờ các phương pháp gây đột biến cổ điển có chọn lọc, ngày nay người ta đã tạo ra các thể đột biếnZ. mobilis có đặc tính lên
Bên cạnh ethanol,Z. mobilis còn được sử dụng trong sản xuất L-alanine và L-lactic acid. Gen mã hóa sinh tổng hợp - carotene được phát triển thành dòng vô tính và cấy truyền vào Z. mobilis. Nhờ một số ứng dụng của levan trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm, từ đóZ. mobilis được quan tâm khai thác nhiều hơn trong việc sản xuất levan ở quy mô lớn. VàZ. mobilis còn được đánh giá là chủng vi sinh vật có tiềm năng trong sản xuất các sản phẩm lên men công nghiệp.
Mặc dù là tác nhân lên men ethanol nhưngZ. mobilis lại không thích hợp cho chuyển hóa sinh khối vì nó chỉ có thể lên men glucose, fructose và sucrose. Tuy nhiên, trong thập kỷ vừa qua, các nhà nghiên cứu ở Phòng Thí Nghiệm Nguyên liệu Tái sử dụng Quốc gia (Khoa Năng lượng, Mỹ) đã thành công trong việc tạo ra những chủng vi khuẩn có thể lên men xylose và arabinose.
Chủng tái tổ hợp đầu tiên lên men xylose (Zhang và cộng sự. 1995a) được cấy ghép 4 gen của E. coli là : xylose isomerase (xylA), xylulose kinase (xylB),
transketolase (tktA), và transaldolase (talB) (Zhang và cộng sự.1995a). Xylose isomerase và xylulose kinase chuyển hóa xylose thành xylulose-5-photphat, một hợp chất trung gian quan trọng trong con đường Pentose photphat. Xylulose-5- photphat sau đó được chuyển hóa thành các hợp chất trung gian của con đường Entner – Doudoroff bằng các enzyme transketolase và transaldolase.
5 gen phân lập từE.coli đưa vào vòng plasmid là : L-arabinose isomerase
(araA), L-ribulose kinase (araB), L-ribulose-5-photphat-4-epimerase (araD), transketolase (tktA) và transaldolase (talB). 3 enzyme đầu tiên chịu trách nhiệm cho việc chuyển hóa arabinose thành xylulose-5-photphat.
Hình 12 : Con đường trao đổi chất glucose, xylose và arabinose ởZ. mobilis
Chủng tái tổ hợp CP4 trội hơn chủng cha mẹ CP4 về tốc độ và khả năng chuyển hóa hoàn toàn glucose thành ethanol.
Chủng Y02 có thể sản xuất được 9.5% ethanol về khối lượng hoặc 11.9% ethanol về thể tích sau 17.4 giờ so với 31.8 giờ của CP4 thuần chủng.
Enzyme alcohol dehydrogenase isozymes được làm mất hoạt tính ở các chủng đột biến này, không còn khả năng xúc tác cho sự oxy hóa các allyl alcohol tạo ra sản phẩm acrolein độc hại.
Một số chủng được cải tiến về khả năng hấp thu cơ chất, có thể sản xuất ethanol từ dung dịch syrup nước mía 25%.
Nếu như trước đây các chủng dại thuộc loài Z. mobilis dại sinh trưởng và
lên men ethanol từ mật rỉ kém do nồng độ muối cao thì ngày nay các chủng tái tổ hợp đã được cải thiện khả năng lên men gấp 2 lần, chịu được muối và pH thấp.
Z. mobilis ZM4 là một chủng tái tổ hợp có khả năng chịu được nhiệt độ cao
(42oC).
Một vài chủng tái tổ hợpZ. mobilis có khả năng sử dụng mannitol như là
Chương 3
Phương pháp lên men ethanol với Zymomonas mobilis