高级醇 · 代谢工程文献库

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Isolation of Butanol- and Isobutanol-Tolerant Bacteria and Physiological Characterization of Their Butanol Tolerance

作者
Manabu Kanno, Taiki Katayama, Hideyuki Tamaki, Yasuo Mitani, Xian-Ying Meng, Tomoyuki Hori, Takashi Narihiro, Naoki Morita, Tamotsu Hoshino, Isao Yumoto, Nobutada Kimura, Satoshi Hanada, Yoichi Kamagata
单位
Bioproduction Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tsukuba, Ibaraki, Japan; Bioproduction Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Sapporo, Hokkaido, Japan; Institute for Geo-Resources and Environment, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tsukuba, Ibaraki, Japan; Institute for Environmental Management Technology, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tsukuba, Ibaraki, Japan
杂志
Applied and Environmental Microbiology（2013）
DOI
10.1128/AEM.02900-13
所属领域
微生物学
关键词
butanol tolerancecyclopropane fatty acidfatty acid compositionisobutanol toleranceisolationmembrane fluiditysolvent-tolerant bacteria
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解决的核心问题

微生物对丁醇和异丁醇的耐受性有限，限制了生物丁醇的生产，需要寻找和鉴定高耐受菌株并理解其耐受机制。

研究策略

从多种环境样品中通过富集培养分离耐丁醇/异丁醇细菌，通过16S rRNA基因测序鉴定，选择高耐受菌株CM4A和GK12，分析其细胞形态、脂肪酸组成，并异源表达cfa基因验证功能。

研究路线图

100%
问题：丁醇耐受性差
策略：富集培养分离耐受菌
鉴定：16株耐受菌+新属发现
关键改造：cfa基因异源表达
结果：耐受提高+膜脂变化
结论：多机制耐受+应用前景
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核心内容

该研究从多种环境样品中通过富集培养分离耐丁醇和异丁醇的细菌，利用16S rRNA基因测序鉴定菌株，并从中筛选出两株高耐受菌——粪肠球菌CM4A和柱状真杆菌GK12。通过透射电镜观察细胞形态和脂肪酸组成分析，发现CM4A在2.0%丁醇胁迫下荚膜厚度由17±3.7 nm增至32±3.7 nm，饱和脂肪酸比例从43.4%升至54.1%，环丙烷脂肪酸比例从0.6%增至2.4%；GK12在2.5%丁醇下C18脂肪酸比例从26.3%升至61.2%。进一步在E. coli中异源表达cfa基因，重组菌在丁醇和异丁醇存在下相对生长率显著高于对照。共分离出16株耐受2.0%以上丁醇的细菌，其中CM4A最高耐受3.5%丁醇和4.0%异丁醇。该研究首次发现荚膜增厚这一新的耐受机制，并证实cfa基因可提升大肠杆菌的丁醇耐受性，为构建耐溶剂微生物生产平台提供了新的靶点和策略。

创新点

首次从自然环境中广泛分离出多种耐丁醇细菌，包括新属；发现荚膜增厚作为新的耐受机制；证明了cfa基因可提高大肠杆菌的丁醇耐受性。

研究对象（3）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Enterococcus faecalis CM4A 膜脂肪酸代谢 — — 调控 通过增加饱和脂肪酸和环丙烷脂肪酸比例及荚膜厚度来耐受丁醇
Eubacterium cylindroides GK12 膜脂肪酸代谢 — — 调控 通过增加长链脂肪酸比例和适应机制来耐受丁醇
Escherichia coli 脂肪酸环丙烷化修饰 cfa CFA synthase 催化 来自CM4A的cfa基因异源表达增强了大肠杆菌的丁醇/异丁醇耐受性

关键发现

  1. 从环境样品中分离出16株能耐受大于2.0%(vol/vol)丁醇和异丁醇的好氧和厌氧细菌
  2. 其中CM4A最高耐受3.5%丁醇和4.0%异丁醇，GK12耐受3.0%丁醇和3.5%异丁醇
  3. CM4A在2.0%丁醇下荚膜厚度从17±3.7nm增至32±3.7nm（P<0.01）
  4. CM4A的饱和脂肪酸比例从43.4%增至54.1%（在2.5%丁醇下），环丙烷脂肪酸比例从0.6%增至2.4%
  5. GK12在2.5%丁醇下C18脂肪酸比例从26.3%增至61.2%
  6. 表达cfa基因的重组大肠杆菌在丁醇和异丁醇存在下相对生长率显著高于对照（P<0.01）。

研究结论

环境中存在多种丁醇和异丁醇耐受菌，其耐受机制包括荚膜增厚、改变膜脂肪酸组成等，cfa基因可增强大肠杆菌的丁醇耐受性，为开发耐溶剂微生物生产平台提供了策略。