Deletion of the budBAC Operon in Klebsiella pneumoniae to Understand the Physiological Role of 2,3-butanediol Biosynthesis
- 作者
- Daun Jeong, Jeongmo Yang, Soojin Lee, Borim Kim, Youngsoon Um, Youngrok Kim, Kyoung-Su Ha, Jinwon Lee
- 单位
- 韩国首尔西江大学化学与生物分子工程系; 韩国首尔韩国科学技术研究院清洁能源中心; 韩国龙仁庆熙大学生命科学与资源研究所及食品科学与生物技术系
- 杂志
- Preparative Biochemistry and Biotechnology（2015）
- DOI
- 10.1080/10826068.2015.1045603
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
肺炎克雷伯氏菌产生2,3-丁二醇的生理角色尚不清楚；通过敲除budBAC操纵子，研究2,3-丁二醇合成在混合酸发酵中的生理作用，尤其是对碳分布、CO2排放和氧化还原平衡的影响。
研究策略
构建budBAC操纵子缺失菌株SGSB109（在致病性减弱的SGSB100 ΔwabG基础上），通过比较两菌株在批量发酵中的细胞外代谢物、CO2排放、碳分布和NADH/NAD+平衡，系统分析2,3-丁二醇生物合成的生理功能。
核心内容
本研究以致病性减弱的肺炎克雷伯氏菌SGSB100（ΔwabG）为背景，通过敲除budBAC操纵子构建缺失菌株SGSB109，从生理学角度系统考察2,3-丁二醇合成的功能。比较两菌株批量发酵中的代谢物分布、CO2排放、碳流分配及NADH/NAD+平衡后发现，敲除后2,3-丁二醇完全消失，乳酸产量升至11.3 g/L（为野生型的2.3倍），乙酸产量达2.51 g/L（提高4.1倍），CO2排放峰值从1.15%降至0.39%，碳底物摄取减少30.6%。碳分布分析显示，SGSB100将60.4%碳流向α-乙酰乳酸，而SGSB109将51.0%碳导向乳酸，CO2碳分配下降71.7%，乙酸碳分配则增加42.1倍，同时生物质、戊糖磷酸途径和TCA循环的碳分配均有上升。结果表明，2,3-丁二醇作为中性无毒产物，其合成既能通过消耗过量NADH维持氧化还原平衡、防止培养基酸化，又通过释放CO2促进碳底物摄取，是混合酸发酵中关键的代谢调节枢纽。
创新点
首次从生理学角度而非工业应用角度研究2,3-丁二醇生物合成的角色；利用碳分布分析揭示2,3-丁二醇合成作为CO2释放和碳底物摄取的主要途径；阐明了2,3-丁二醇在防止培养基酸化和维持氧化还原平衡中的关键作用。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Klebsiella pneumoniae SGSB100 (ΔwabG) | 2,3-丁二醇生物合成通路 (budBAC operon) | budB | α-乙酰乳酸合酶 (α-acetolactate synthase) | 催化 | 催化两分子丙酮酸缩合生成α-乙酰乳酸，2,3-丁二醇合成第一步 |
| Klebsiella pneumoniae SGSB100 (ΔwabG) | 2,3-丁二醇生物合成通路 (budBAC operon) | budA | α-乙酰乳酸脱羧酶 (α-acetolactate decarboxylase) | 催化 | 催化α-乙酰乳酸脱羧生成乙偶姻 |
| Klebsiella pneumoniae SGSB100 (ΔwabG) | 2,3-丁二醇生物合成通路 (budBAC operon) | budC | 乙酰偶姻还原酶/丁二醇脱氢酶 (acetoin reductase) | 催化 | 催化乙偶姻还原为2,3-丁二醇，同时消耗NADH |
| Klebsiella pneumoniae KCTC2242 | 2,3-丁二醇生物合成调控 | budR | LysR型转录调控因子 (LysR-type transcriptional regulator) | 调控 | 调控budBAC操纵子表达，受乙酸诱导 |
| Klebsiella pneumoniae KCTC2242 | 脂多糖生物合成 | wabG | 葡萄糖基转移酶 (glucosyltransferase) | 催化 | 缺失该基因可降低致病性，用于构建SGSB100 |
关键发现
- SGSB109敲除budBAC后，2,3-丁二醇不再产生，乳酸产量达11.3 g/L（为SGSB100的2.3倍），乙酸产量2.51 g/L（提高4.1倍）
- CO2排放峰值从SGSB100的1.15%降至SGSB109的0.39%
- 碳底物摄取减少30.6%（737 vs 511 mmol）
- 碳分布中，SGSB100将60.4%碳流向α-乙酰乳酸，而SGSB109将51.0%碳流向乳酸
- CO2碳分配从37.8%降至10.7%（降低71.7%）
- SGSB109中乙酸碳分配增加42.1倍
- 生物质形成碳分配从3.86%升至5.24%，戊糖磷酸途径从5.19%升至6.85%，TCA循环从9.59%升至11.5%。
研究结论
2,3-丁二醇是中性无毒代谢产物，其合成可防止培养基酸中毒；2,3-丁二醇合成是消耗过量NADH、维持细胞氧化还原平衡的主要途径；同时通过释放CO2作为废物促进碳底物摄取。