Artificial consortium demonstrates emergent properties of enhanced cellulosic-sugar degradation and biofuel synthesis
- 作者
- Heejoon Park, Ayushi Patel, Kristopher A. Hunt, Michael A. Henson, Ross P. Carlson
- 杂志
- npj Biofilms and Microbiomes（2020）
- DOI
- 10.1038/s41522-020-00170-8
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
单一微生物难以高效完成木质纤维素降解和产物合成，如何通过人工菌群设计实现超越单菌的纤维二糖降解和生物燃料合成性能
研究策略
构建由纤维素降解菌Clostridium phytofermentans和兼性厌氧菌Escherichia coli组成的二元人工菌群，利用分工、交叉喂养、正反馈及坏死物分解机制，在浮游和生物膜培养条件下系统表征其涌现特性
研究路线图
核心内容
该研究构建了由纤维素降解菌Clostridium phytofermentans与兼性厌氧菌Escherichia coli组成的二元人工菌群，利用分工协作、交叉喂养、正反馈及坏死物分解等自然互作机制，在浮游和生物膜培养条件下系统评估其降解纤维二糖并合成生物燃料的性能。结果显示，浮游菌群的纤维二糖消耗量较单菌之和增加240%（8.84对2.60 mM），乙醇产量增加837%（26.71对2.85 mM），甘油消耗增加102%（19.89对9.85 mM），生物量增加121%。在生物膜条件下，总生物量增加153%。机制分析表明，E. coli消耗氧气为C. phytofermentans创造厌氧环境，后者细胞数较单菌培养提高逾10倍；坏死物交叉利用亦为双方提供生长底物，C. phytofermentans在纤维素底物上的特异纤维二糖酶活性约为纤维二糖培养的8倍。该工作证明基于微生物自然互作原理的人工菌群设计可显著提升纤维素衍生糖向生物产品的转化效率，为木质纤维素生物加工提供了可行策略。
创新点
首次构建C. phytofermentans与E. coli的人工菌群并证明其涌现特性；通过生物膜空间分区实现厌氧/好氧协同代谢；量化了坏死物分解对菌群增强性能的贡献
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium phytofermentans ISDg | 纤维二糖降解 | ABX42305 | cellobiase/β-glucosidase | 催化 | 胞外水解纤维二糖产生葡萄糖，受葡萄糖代谢物抑制 |
| Escherichia coli K-12 MG1655 | 甘油发酵 | — | — | 催化 | 发酵甘油及纤维二糖代谢副产物，去除葡萄糖解除对纤维二糖酶的抑制 |
| Escherichia coli K-12 MG1655 | 有氧呼吸 | — | — | 能量供给 | 消耗O2，为C. phytofermentans创造厌氧环境 |
| Clostridium phytofermentans ISDg | 纤维素降解 | 169个碳水化合物活性酶基因 | 纤维素酶系 | 催化 | 降解纤维素产生纤维二糖和葡萄糖，菌株具有广谱底物利用能力 |
| 混合菌群（C. phytofermentans + E. coli） | 生物膜形成 | — | — | 区室化 | 生物膜内形成垂直空间梯度，AOS培养下C. phytofermentans主要分布在厌氧底层，E. coli分布在好氧表层，实现空间分工 |
关键发现
- 浮游菌群相比单菌之和：纤维二糖消耗增加240%（8.84 vs
- 60 mM），乙醇产量增加837%（26.71 vs
- 85 mM），甘油消耗增加102%（19.89 vs
- 85 mM），生物量增加121%（0.315 vs
- 145 g/L）。AOS条件下生物膜总生物量增加153%（6.25 mg vs
- 47 mg）。菌群中C. phytofermentans细胞数比单菌培养高>10倍。E. coli消耗O2为C. phytofermentans创造厌氧环境，AOS培养使C. phytofermentans细胞数先增后减。C. phytofermentans坏死物对E. coli的生物量得率为0.11-0.12 g E. coli/g C. phytofermentans；E. coli坏死物对C. phytofermentans的得率为0.27-0.31 g C. phytofermentans/g E. coli。C. phytofermentans在CMC上生长的特异纤维二糖酶活性比纤维二糖培养高约8倍。
研究结论
基于自然微生物互作（交叉喂养、正反馈、坏死物分解等）的人工菌群策略能显著提高纤维素衍生糖向生物产品的转化效率，浮游和生物膜培养均表现涌现特性，为生物加工提供了可行方案