高级醇 · 代谢工程文献库

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A new player in the biorefineries field: phasin PhaP enhances tolerance to solvents and boosts ethanol and 1,3-propanediol synthesis in Escherichia coli

作者
Mariela P. Mezzina, Daniela Álvarez, Diego Egoburo, Rocío Díaz Peña, Pablo I. Nikel, M. Julia Pettinari
单位
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Departamento de Química Biológica, Buenos Aires, Argentina; Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (IQUIBICEN, CONICET - Universidad de Buenos Aires), Buenos Aires, Argentina; The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark
杂志
Applied and Environmental Microbiology（2017）
DOI
10.1128/AEM.00662-17
所属领域
代谢工程
关键词
1,3-propanediolEscherichia coliGroELPhaPbutanolchaperoneethanolmetabolic engineering
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解决的核心问题

微生物生产生物燃料和化学品常受产物毒性限制，导致产量低，需要提高菌株对溶剂和化学品的耐受性。

研究策略

在大肠杆菌中异源表达来自固氮菌Azotobacter sp. FA8的PhaP蛋白，或共表达已知伴侣蛋白GroELS，评估其对乙醇、丁醇、1,3-丙二醇的耐受性影响，并检测在重组大肠杆菌中乙醇和1,3-丙二醇的产量。

研究路线图

100%
研究问题：微生物生产受产物毒性限制，产量低
研究策略：在大肠杆菌中异源表达PhaP或GroELS，评估溶剂耐受性与产物产量
关键改造①：表达PhaP（来自Azotobacter sp. FA8，伴侣样活性）
关键改造②：共表达GroELS（groEL突变株中补偿）
结果①：溶剂耐受性显著提升（乙醇、丁醇、1,3-PDO）
结果②：乙醇产量提高70%（0.41→0.65 g/L）
结果③：1,3-PDO产量提高18.5倍（0.4→7.8 g/L）
结论：PhaP与GroEL增强耐受性并促进产物合成，为菌株优化提供新策略
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核心内容

该研究在大肠杆菌中异源表达了来自固氮菌的PHB颗粒结合蛋白PhaP，并系统评估了其对溶剂耐受性及生物合成的影响。结果显示，表达PhaP的菌株在5%乙醇存在下最大比生长速率较对照提高1.3倍，在0.5%丁醇和8% 1,3-丙二醇条件下生物量均增加40%。在乙醇生产菌株中，PhaP使最终乙醇浓度从0.41 g/L提升至0.65 g/L，增幅达70%；在以40 g/L甘油为底物的1,3-丙二醇生产菌株中，PhaP使产量达到7.8 g/L，较对照的0.4 g/L提高了约18.5倍，细胞生长量亦为对照的2.2倍。通过与GroEL伴侣蛋白的平行比较发现，PhaP在多数条件下表现更优，且两者在groEL突变株中均能恢复溶剂耐受性。该工作首次证明PhaP作为一种具有伴侣样活性的蛋白，能同时增强菌株耐受性和目标产物积累，为利用伴侣蛋白策略优化微生物细胞工厂生产生物燃料和化学品提供了新思路。

创新点

首次证明PhaP（一种具有伴侣样活性的PHB颗粒结合蛋白）能增强大肠杆菌对多种生化品的耐受性，并促进乙醇和1,3-丙二醇的合成；比较了PhaP与GroEL在提高产物积累方面的效果。

研究对象（4）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Escherichia coli ADA100 溶剂耐受性响应 phaP PhaP 调控 来自Azotobacter sp. FA8，具有伴侣样活性，提高乙醇、丁醇和1,3-丙二醇耐受性
Escherichia coli T850 伴侣系统 groEL, groES GroEL/GroES 调控 groEL突变株，异源表达groELS可互补表型并提高溶剂耐受性
Escherichia coli ADA100 乙醇合成 adhE AdhELm 催化 来自Leuconostoc mesenteroides，双功能醇/乙醛脱氢酶，催化乙醇合成
Escherichia coli ADA100 1,3-丙二醇合成 dhaB, dhaC, dhaE, dhaF, dhaT, dhaG, dhaR 甘油脱水酶、1,3-丙二醇氧化还原酶等 催化 来自Klebsiella pneumoniae GLC29，dhaB编码甘油脱水酶，dhaT编码1,3-PDO氧化还原酶，共同催化甘油转化为1,3-丙二醇

关键发现

  1. 表达PhaP的大肠杆菌在5% (vol/vol)乙醇存在下，最大比生长速率比对照高1.3倍，生物量增加30%
  2. 在0.5%丁醇下生物量增加40%
  3. 在8% (vol/vol) 1,3-丙二醇下生物量增加40%。在乙醇生产菌株中，表达PhaP使最终乙醇浓度从0.41 g/L提高到0.65 g/L（增加70%），表达GroELS使乙醇达到0.58 g/L。在1,3-丙二醇生产菌株（以40 g/L甘油为底物）中，表达PhaP的菌株生长量是对照的2.2倍，1,3-丙二醇产量为7.8 g/L，而对照仅为0.4 g/L（提高约18.5倍）
  4. 表达GroELS的菌株产量为6.7 g/L。在groEL突变株T850中，PhaP和GroELS均能提高溶剂耐受性，且在无溶剂条件下表达PhaP使最大比生长速率提高1.1倍。

研究结论

PhaP和GroEL都能增强大肠杆菌对溶剂和化学品的耐受性，并显著提高乙醇和1,3-丙二醇的产量。这些发现为利用伴侣蛋白或具有伴侣活性的蛋白优化菌株生产生物燃料和化学品提供了新策略。