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菌種最適培養條件評估及發酵製程放大研究
(2008)
楊裕雄
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YUH-SHYONG YANG
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國立交通大學生物科技研究所
全球性的能源耗竭迫使人類不僅要節約能源，更要開發新的可持續性能源。然而，地球上產量最多的可利用再生能源-纖維素，仍未被充分使用。利用富含纖維素原料之農業廢棄物為生質酒精原料，不但不與糧食競爭且可協助解決環保問題。依目前生質酒精製程中, 除了一貫化生物轉化製程(Consolidated Bio-Process, CBP)外，皆需外加纖維素水解酵素，以分解纖維素至葡萄糖。因此，纖維素水解酵素於生質酒精製程中占相當重要的一個角色，纖維素水解酵素活性的高低將影響製程中所需的用量，這對生質酒精生產的成本是關鍵之一;同時原物料的前處理過程中會產出某些化學物質，這些小分子的化學物質易與纖維素水解酵素結合，會抑制纖維素水解酵素的活性，本計畫將針對這些問題，結合微生物學、蛋白質化學、結構生物學及基因工程等等技術，以尋求對纖維素水解酵素活性及抑制物問題的根本解決之道;另外，如何提高纖維素水解酵素的產量亦是本計畫重點之一。計畫內容包含針對篩選之木黴菌生成之纖維素水解酵素，及具潛力之商業纖維素水解酵素進行酵素分離及純化，並建立酵素反應最佳條件；對這些纖維素水解酵素作蛋白質晶體繞射研究，以尋出這些關鍵酵素的結構特徵及其與酵素活性的關係，以及酵素與不同抑制物共結構關係；建立纖維素水解酵素的大量表現系統；最後再透過蛋白質工程的方法，改變某些纖維素水解酵素活性區域的關鍵胺基酸、提高受質與酵素結合的能力等方法，改變某些纖維素水解酵素活性區域的關鍵胺基酸、提高受質與酵素結合的能力。透過結合這些方法的研究，酵素的活性有可能提昇至少10倍以上，例如在Acidothermus cellulolyticus中的endocellulase Ce15A中只改變活性區域的一個氨基酸，其Ki值即提昇1,480%；對抑制物的耐受度也可同樣的大大提高，這對整個纖維酒精生產的成本降低，將有非常大的幫助。我们期望借由此一研究，於較短的時間內，能生產出高活性、高產量，且降低抑制物影響的纖維素水解酵素，運用於纖維酒精的生產。