高级醇 · 代谢工程文献库

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Co-utilization of glycerol and lignocellulosic hydrolysates enhances anaerobic 1,3-propanediol production by Clostridium diolis

作者
Bo Xin, Yu Wang, Fei Tao, Lixiang Li, Cuiqing Ma, Ping Xu
杂志
SCIENTIFIC REPORTS（2016）
DOI
10.1038/srep19044
所属领域
发酵工程
关键词
1,3-propanediolClostridium diolisNADH/NAD+co-fermentationglycerollignocellulosic hydrolysates
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解决的核心问题

如何利用廉价的木质纤维素水解液作为共底物，提高甘油厌氧发酵生产1,3-丙二醇的转化率，降低生产成本

研究策略

以Clostridium diolis DSM 15410为底盘，将葡萄糖、木糖、阿拉伯糖及木质纤维素水解液（玉米秸秆水解液、玉米芯糖蜜）与甘油共发酵，通过提高胞内NADH/NAD+比例和促进细胞生长，提高1,3-丙二醇产量和转化率

研究路线图

100%
研究问题：如何利用廉价木质纤维素水解液提高甘油产1,3-丙二醇效率
策略：以C. diolis DSM 15410为底盘，甘油+糖类/水解液共发酵
关键改造：共底物策略（葡萄糖/木糖/阿拉伯糖/水解液）
结果1：单糖共发酵转化率提升18-28%（最高0.86 mol/mol）
结果2：水解液共发酵转化率达0.84-0.85 mol/mol，产量达43.5 g/L
机理：糖类不直接转化，通过提高NADH/NAD+增强甘油还原途径
结论：木质纤维素水解液与甘油共发酵为高效经济1,3-PD生产策略
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核心内容

该研究以Clostridium diolis DSM 15410为底盘菌，探索将木质纤维素水解液与甘油共发酵以提高1,3-丙二醇（1,3-PD）生产效率的策略。研究发现，葡萄糖、木糖、阿拉伯糖作为共底物时，1,3-PD对甘油的转化率分别达到0.86、0.80和0.79 mol/mol，较纯甘油发酵的0.67 mol/mol分别提高28%、19%和18%；混合糖共发酵使产量达13.9 g/L，转化率0.82 mol/mol。利用13C标记实验证实糖类并不直接参与1,3-PD碳骨架合成，而是通过提高胞内NADH/NAD+比例（dhaD mRNA水平降低约3倍）增强甘油还原途径。在分批补料发酵中，粗甘油与玉米秸秆水解液共发酵获得42.9 g/L 1,3-PD，转化率0.81 mol/mol，较纯甘油发酵（0.62 mol/mol）提高31%。该策略为利用廉价木质纤维素水解液经济高效生产1,3-PD提供了可行路径，也有望推广至其他还原型生物基化学品的生产。

创新点

首次报道Clostridium利用木质纤维素水解液与甘油共发酵生产1,3-PD；发现戊糖与甘油共利用同样可提高1,3-PD产量；证明糖类并不直接转化为1,3-PD，而是通过提高NADH/NAD+比例来增强甘油还原途径；在分批补料发酵中利用粗甘油和玉米秸秆水解液获得0.81 mol/mol的转化率

研究对象（3）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Clostridium diolis DSM 15410 1,3-丙二醇生物合成 dhaB1 甘油脱水酶 (GDHt) 催化 编码甘油脱水酶，催化甘油生成3-羟基丙醛
Clostridium diolis DSM 15410 1,3-丙二醇生物合成 dhaT 1,3-丙二醇脱氢酶 (1,3-PDDH) 催化 催化3-羟基丙醛还原为1,3-丙二醇
Clostridium diolis DSM 15410 甘油氧化 dhaD 甘油脱氢酶 (GDH) 催化 催化甘油氧化为二羟基丙酮，提供还原力；添加混合糖后其mRNA水平降低约3倍

关键发现

  1. 以葡萄糖、木糖、阿拉伯糖作为共底物时，1,3-PD对甘油的转化率分别提高28%（0.86 mol/mol）、19%（0.80 mol/mol）和18%（0.79 mol/mol），而单独甘油发酵转化率为0.67 mol/mol，产量11.64 g/L
  2. 混合糖（葡萄糖:木糖:阿拉伯糖=1:1:1）共发酵使1,3-PD产量达13.9 g/L，转化率0.82 mol/mol，比单独甘油分别提高19%和22%
  3. 玉米秸秆水解液与甘油以4:1比例共发酵时转化率最高达0.84-0.85 mol/mol
  4. 玉米芯糖蜜与甘油4:1时最高0.84 mol/mol
  5. 分批补料发酵中甘油和玉米秸秆水解液共发酵获得43.5 g/L 1,3-PD，转化率0.82 mol/mol，指数期生产强度2.3 g/L·h
  6. 粗甘油和玉米秸秆水解液共发酵获得42.9 g/L 1,3-PD，转化率0.81 mol/mol，比纯甘油补料发酵（43.9 g/L，0.62 mol/mol）提高31%
  7. 添加混合糖使dhaD mRNA水平降低约3倍，细胞内NADH/NAD+比例升高
  8. GC-MS证明1,3-PD的碳骨架不来源于葡萄糖（13C标记实验）

研究结论

甘油与木质纤维素水解液共发酵是一种高效、经济的1,3-PD生产策略，可显著提高1,3-PD转化率（从0.62-0.67提高到0.82-0.85 mol/mol），并可应用于其它增值化学品的生产