高级醇 · 代谢工程文献库

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Highly efficient production of 2,3-butanediol from xylose and glucose by newly isolated thermotolerant Cronobacter sakazakii

作者
Chansom Keo-oudone, Koudkeo Phommachan, Orathai Suliya, Mochamad Nurcholis, Somchanh Bounphanmy, Tomoyuki Kosaka, Mamoru Yamada
单位
Department of Biology, Faculty of Natural Science, National University of Laos, Lao PDR, 7322 Vientiane, Laos; Graduate School of Sciences and Technology for Innovation, Yamaguchi University, 753-8515 Yamaguchi, Japan; Department of Food Science and Technology, Faculty of Agricultural Technology, Brawijaya University, 65145 Malang, Indonesia; Department of Biological Chemistry, Faculty of Agriculture, Yamaguchi University, 753-8515 Yamaguchi, Japan; Research Center for Thermotolerant Microbial Resources, Yamaguchi University, 753-8515 Yamaguchi, Japan
杂志
BMC Microbiology（2022）
DOI
10.1186/s12866-022-02577-z
所属领域
发酵工程
关键词
2,3-ButanediolCronobacter sakazakiiHigh-temperature fermentationLignocellulosic biomassXylose-fermenting microbe
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解决的核心问题

缺乏能够利用木糖和葡萄糖在高温条件下高产2,3-丁二醇的微生物菌株，导致2,3-BD的工业发酵成本高、效率低。

研究策略

从老挝6个省份采集约300份样品，在37°C下富集培养筛选耐热木糖利用微生物，以木糖醇积累量低为指标筛得候选菌株，通过16S rDNA鉴定为Cronobacter sakazakii，命名为OX-25。系统研究了该菌株在不同温度、不同糖浓度（葡萄糖/木糖）及混合糖条件下的2,3-BD及乙偶姻发酵特性，并与已报道菌株进行对比。

研究路线图

100%
研究问题：缺乏耐热菌株高效转化木糖/葡萄糖产2,3-BD
策略：筛选耐热木糖利用菌株（37°C富集培养）
关键改造：鉴定Cronobacter sakazakii OX-25
系统研究发酵特性（温度/糖浓度/混合糖）
结果：高温高产2,3-BD（最高2.3 g/L·h）
结论：具备工业应用潜力的安全菌株
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核心内容

本研究从老挝6个省份的约300份样品中，经37°C富集和木糖醇积累量筛选，分离出一株耐热木糖利用菌株，经16S rDNA鉴定为Cronobacter sakazakii OX-25，首次报道该菌种作为2,3-丁二醇（2,3-BD）的高效生产菌。系统考察了不同温度、底物浓度及混合糖条件下的发酵特性。结果显示，42°C下以20 g/L木糖为底物，12 h产2,3-BD 6.6 g/L（产率0.3 g/g，生产强度0.6 g/L·h）；以20 g/L葡萄糖为底物，6 h产7.1 g/L（0.4 g/g，1.2 g/L·h）。提高浓度后，80 g/L葡萄糖9 h产21.1 g/L（生产强度2.3 g/L·h），40 g/L木糖12 h产12.5 g/L（1.0 g/L·h），80 g/L木糖36 h产29.4 g/L。葡萄糖和木糖的理论产率最高分别达80%和55%。混合糖发酵存在葡萄糖抑制，木糖几乎不被利用；糖耗尽后2,3-BD会转化为乙偶姻。该菌株在42–45°C高温下保持活性，生产强度优于所有已报道的非基因工程微生物，且属于风险1级安全菌株，为基于木质纤维素原料的低能耗2,3-BD工业发酵提供了有潜力的新菌种。

创新点

首次报道Cronobacter sakazakii作为2,3-丁二醇高效生产菌株；该菌株能在42-45°C高温下同时利用木糖和葡萄糖，2,3-BD生产强度（葡萄糖最高2.3 g/L·h，木糖最高1.0 g/L·h）优于所有已报道的非基因工程微生物；且C. sakazakii属于风险1级，安全性优于常见产2,3-BD的克雷伯菌和肠杆菌。

研究对象（1）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Cronobacter sakazakii OX-25 2,3-丁二醇合成途径 (从葡萄糖或木糖) — — 催化 耐热木糖利用菌株，在42-45°C下将葡萄糖或木糖转化为2,3-BD，最高产率0.4 g/g

关键发现

  1. C. sakazakii OX-25在20 g/L木糖中42°C下12 h产6.6 g/L 2,3-BD（0.3 g/g，0.6 g/L·h）
  2. 在20 g/L葡萄糖中42°C下6 h产7.1 g/L（0.4 g/g，1.2 g/L·h）。高浓度底物下：40 g/L葡萄糖9 h产15.9 g/L（1.8 g/L·h），80 g/L葡萄糖9 h产21.1 g/L（2.3 g/L·h）
  3. 40 g/L木糖12 h产12.5 g/L（1.0 g/L·h），80 g/L木糖36 h产29.4 g/L（0.8 g/L·h）。理论产率：20 g/L葡萄糖和40 g/L葡萄糖分别达到71%和80%，20 g/L木糖和40 g/L木糖分别达到55%和53%。45°C下仍能产2,3-BD但细胞裂解
  4. 混合糖发酵时木糖几乎不利用，存在葡萄糖抑制。糖耗尽后2,3-BD会转化为乙偶姻。

研究结论

新分离的C. sakazakii OX-25能够在高温（42°C）下利用木糖和葡萄糖高效生产2,3-丁二醇，其生产强度高于所有已报道的非基因工程微生物，具备工业应用潜力，可用于基于木质纤维素生物质的低能耗、低成本2,3-BD生产。