由美国麻省理工学院化学工程系Gregory  Stephanopoulos教授领导的研究小组通过基因转录重组细胞工程技术“gTME”，提高了酵母对乙醇和葡萄糖的耐受能力，从而提高了生物乙醇生产的速度和效率。研究针对两种转录因子，其中转录因子SPT15是一种TATA结合蛋白，它的突变使相关基因过量表达，在表型上提高了乙醇耐受能力。在21小时内改造酵母比对照多产乙醇50%。研究结果发表在12月8日的《Science》杂志上。



MIT  scientists  have  engineered  yeast  that  can  improve  the  speed  and  efficiency  of  ethanol  production,  a  key  component  to  making  biofuels  a  significant  part  of  the  U.S.  energy  supply.

Currently  used  as  a  fuel  additive  to  improve  gasoline  combustibility,  ethanol  is  often  touted  as  a  potential  solution  to  the  growing  oil-driven  energy  crisis.  But  there  are  significant  obstacles  to  producing  ethanol:  One  is  that  high  ethanol  levels  are  toxic  to  the  yeast  that  ferments  corn  and  other  plant  material  into  ethanol.  

By  manipulating  the  yeast  genome,  the  researchers  have  engineered  a  new  strain  of  yeast  that  can  tolerate  elevated  levels  of  both  ethanol  and  glucose,  while  producing  ethanol  faster  than  un-engineered  yeast.  

The  work  will  be  reported  in  the  Dec.  8  issue  of  Science.

Fuels  such  as  E85,  which  is  85  percent  ethanol,  are  becoming  common  in  states  where  corn  is  plentiful;  however,  their  use  is  mainly  confined  to  the  Midwest  because  corn  supplies  are  limited  and  ethanol  production  technology  is  not  yet  efficient  enough.

Boosting  efficiency  has  been  an  elusive  goal,  but  the  MIT  researchers,  led  by  Hal  Alper,  a  postdoctoral  associate  in  the  laboratories  of  Professor  Gregory  Stephanopoulos  of  chemical  engineering  and  Professor  Gerald  Fink  of  the  Whitehead  Institute,  took  a  new  approach.

The  key  to  the  MIT  strategy  is  manipulating  the  genes  encoding  proteins  responsible  for  regulating  gene  transcription  and,  in  turn,  controlling  the  repertoire  of  genes  expressed  in  a  particular  cell.  These  types  of  transcription  factors  bind  to  DNA  and  turn  genes  on  or  off,  essentially  controlling  what  traits  a  cell  expresses.

The  traditional  way  to  genetically  alter  a  trait,  or  phenotype,  of  an  organism  is  to  alter  the  expression  of  genes  that  affect  the  phenotype.  But  for  traits  influenced  by  many  genes,  it  is  difficult  to  change  the  phenotype  by  altering  each  of  those  genes,  one  at  a  time.

Targeting  the  transcription  factors  instead  can  be  a  more  efficient  way  to  produce  desirable  traits.  "It  is  the  makeup  of  the  transcripts  that  determines  how  a  cell  is  going  to  behave  and  this  is  controlled  by  the  transcription  factors  in  the  cell,"  according  to  Stephanopoulos,  a  co-author  on  the  paper.

The  MIT  researchers  are  the  first  to  use  this  new  approach,  which  is  akin  to  altering  the  central  processor  of  a  computer  (transcription  factors)  rather  than  individual  software  applications  (genes),  says  Fink,  an  MIT  professor  of  biology  and  a  co-author  on  the  paper.

In  this  case,  the  researchers  targeted  two  different  transcription  factors.  They  got  their  best  results  with  a  factor  known  as  a  TATA-binding  protein,  which  when  altered  in  three  specific  locations  caused  the  over-expression  overexpresion  of  at  least  a  dozen  genes,  all  of  which  were  found  to  be  necessary  to  elicit  an  improved  ethanol  tolerance,  thus  allowing  that  strain  of  yeast  to  survive  high  ethanol  concentrations.

Because  so  many  genes  are  involved,  engineering  high  ethanol  tolerance  by  the  traditional  method  of  overexpressing  individual  genes  would  have  been  impossible,  says  Alper.  Furthermore,  the  identification  of  the  complete  set  of  such  genes  would  have  been  a  very  difficult  task,  Stephanopoulos  adds.

The  high-ethanol-tolerance  yeast  also  proved  to  be  more  rapid  fermenters:  The  new  strain  produced  50  percent  more  ethanol  during  a  21-hour  period  than  normal  yeast.

The  prospect  of  using  this  approach  to  engineer  similar  tolerance  traits  in  industrial  yeast  could  dramatically  impact  industrial  ethanol  production,  a  multi-step  process  in  which  yeast  plays  a  crucial  role.  First,  cornstarch  or  another  polymer  of  glucose  is  broken  down  into  single  sugar  (glucose)  molecules  by  enzymes,  then  yeast  ferments  the  glucose  into  ethanol  and  carbon  dioxide.

Last  year,  four  billion  gallons  of  ethanol  were  produced  from  1.43  billion  bushels  of  corn  grain  (including  kernels,  stalks,  leaves,  cobs,  husks)  in  the  United  States,  according  to  the  Department  of  Energy.  In  comparison,  the  United  States  consumed  about  140  billion  gallons  of  gasoline.