高级醇 · 代谢工程文献库

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Enhanced Butanol Production Obtained by Reinforcing the Direct Butanol-Forming Route in Clostridium acetobutylicum

作者
Yu-Sin Jang, Jin Young Lee, Joungmin Lee, Jin Hwan Park, Jung Ae Im, Moon-Ho Eom, Julia Lee, Sang-Hyun Lee, Hyohak Song, Jung-Hee Cho, Do Young Seung, Sang Yup Lee
单位
Metabolic and Biomolecular Engineering National Research Laboratory, Department of Chemical and Biomolecular Engineering (BK21 Program), BioProcess Engineering Research Center, Center for Systems and Synthetic Biotechnology, Institute for the BioCentury, KAIST, Daejeon, Republic of Korea; BioFuelChem, Daejeon, Republic of Korea; GS Caltex Corporation R&D Center, Daejeon, Republic of Korea
杂志
mBio（2012）
DOI
10.1128/mBio.00314-12
所属领域
代谢工程
关键词
丁醇丙酮丁醇梭菌代谢工程原位产物回收直接丁醇合成途径
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解决的核心问题

解析丙酮丁醇梭菌中直接丁醇合成途径（hot channel）与酸再同化途径（cold channel）的相对贡献，并通过强化直接丁醇合成途径实现丁醇的高效生产。

研究策略

通过代谢通量分析和质量平衡分析量化两条丁醇合成途径；利用基因敲除（pta、buk、ctfB等）和过表达突变型醛/醇脱氢酶基因 adhE1D485G 强化 hot channel；结合补料分批发酵与原位产物回收工艺。

研究路线图

100%
核心问题：解析 hot/cold 通道贡献
策略：代谢通量+质量平衡分析
基因敲除：pta/buk/ptb/ctfB
过表达 adhE1D485G
工程菌 BEKW(pPthlAAD**)
批量发酵结果：丁醇 18.9 g/L
补料分批+原位回收：585.3 g
结论：强化hot通道更高效
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核心内容

该研究系统解析了丙酮丁醇梭菌中两条丁醇合成途径的相对贡献，并据此进行代谢工程改造以提高丁醇产量。通过代谢通量分析发现，野生型菌株中直接丁醇合成途径（hot channel）贡献了约66%的丁醇，hot/cold丁醇比为2.0，证明该途径在丁醇生产中占主导地位。据此，研究者敲除竞争性副产物途径相关基因pta、buk，并过表达突变型醛/醇脱氢酶基因adhE1D485G，构建了工程菌BEKW(pPthlAAD**)，使hot/cold丁醇比提升至18.8。在批量发酵中，该菌株从64.8 g/L葡萄糖生产18.9 g/L丁醇，得率0.71 mol/mol，分别较野生型提高160%和245%，丁醇选择性达0.88 g/g总溶剂。进一步结合补料分批发酵与原位产物回收工艺，从1861.9 g葡萄糖获得585.3 g丁醇，得率达0.76 mol/mol（理论最大值的87%），生产力1.32 g/L/h。该工作明确了直接丁醇合成途径的关键地位，为梭菌丁醇代谢工程提供了新策略。

创新点

首次系统阐明了 hot channel 在丁醇生产中的主导作用；通过同时敲除 pta 和 buk 并过表达 adhE1D485G 构建了高性能丁醇生产菌株 BEKW(pPthlAAD**)，显著提高了丁醇产量、得率和选择性。

研究对象（8）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Clostridium acetobutylicum ABE 发酵途径 pta 磷酸转乙酰酶 催化 敲除该基因以阻断乙酸形成，增强 direct butanol-forming flux
Clostridium acetobutylicum ABE 发酵途径 ack 乙酸激酶 催化 敲除该基因可延迟乙酸生成，影响丁醇合成途径
Clostridium acetobutylicum ABE 发酵途径 ptb 磷酸转丁酰酶 催化 敲除该基因以阻断丁酸形成，增强 hot channel
Clostridium acetobutylicum ABE 发酵途径 buk 丁酸激酶 催化 与 pta 同时敲除构建 BEKW 菌株，显著提高 hot channel 通量
Clostridium acetobutylicum ABE 发酵途径 bukII 丁酸激酶 II 催化 与 pta、buk 组合敲除以减少丁酸生成
Clostridium acetobutylicum ABE 发酵途径（酸再同化） ctfB 乙酰乙酰辅酶 A 转移酶 β 亚基 催化 敲除该基因完全阻断 cold channel，但丁醇得率较低
Clostridium acetobutylicum 丁醇合成途径 adhE1 醛/醇脱氢酶 催化 过表达以强化 hot channel，提高丁醇产量
Clostridium acetobutylicum 丁醇合成途径 adhE1D485G 突变型醛/醇脱氢酶（第485位天冬氨酸突变为甘氨酸） 催化 突变体对 NADH 和 NADPH 均有亲和力，过表达进一步强化 hot channel，使 hot/cold 比达 18.8

关键发现

  1. 野生型 ATCC 824 中 hot channel 贡献丁醇比例为 66%，hot/cold 丁醇比为
  2. 0；工程菌 BEKW(pPthlAAD**) 中该比值提高到
  3. 8。批量发酵中，BEKW(pPthlAAD**) 从
  4. 8 g/L 葡萄糖生产
  5. 9 g/L 丁醇，得率
  6. 71 mol/mol，比野生型分别提高 160% 和 245%，丁醇选择性达
  7. 88 g/g 总溶剂。补料分批发酵结合原位回收，从
  8. 9 g 葡萄糖生产
  9. 3 g 丁醇，得率
  10. 76 mol/mol（理论最大值的 87%），生产力
  11. 32 g/L/h。

研究结论

强化直接丁醇合成途径（hot channel）较传统的酸再同化途径（cold channel）更能有效提高丁醇生产性能，为梭菌丁醇代谢工程提供了新策略。