Vibrio sp. dhg as a platform for the biorefinery of brown macroalgae
- 作者
- Hyun Gyu Lim, Dong Hun Kwak, Sungwoo Park, Sunghwa Woo, Jae-Seong Yang, Chae Won Kang, Beomhee Kim, Myung Hyun Noh, Sang Woo Seo, Gyoo Yeol Jung
- 杂志
- Nature Communications（2019）
- DOI
- 10.1038/s41467-019-10371-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
褐藻作为替代原料潜力大，但传统微生物平台（如大肠杆菌）不能代谢其主要糖类褐藻胶，限制了褐藻生物炼制的发展。
研究策略
分离一株能高效利用褐藻胶的快速生长弧菌Vibrio sp. dhg，通过基因组分析和建立遗传工具箱，工程化该菌株从褐藻糖混合物高效生产乙醇、2,3-丁二醇和番茄红素。
研究路线图
核心内容
褐藻作为第三代生物炼制原料潜力巨大，但传统工业微生物无法代谢其主要成分褐藻胶。研究人员分离到一株能以褐藻胶为唯一碳源快速生长的弧菌Vibrio sp. dhg，其最大比生长速率达0.98 h⁻¹，并完成了基因组解析。在此基础上建立了包括合成启动子文库和5′-UTR设计在内的可预测遗传工具箱，启动子强度差异达41倍、5′-UTR表达差异达53倍，且预测模型R²分别达到0.72和0.79，实现了对基因表达的精准调控。利用该平台工程化菌株可从褐藻胶与甘露醇混合糖中高效生产多种产品：乙醇在分批补料发酵中达25.7 g/L，产率1.1 g/L/h，达到理论值的64%；2,3-丁二醇达27.1 g/L，产率0.40 g/g糖（理论值的81%）；番茄红素产量6.2 mg/L，较大肠杆菌对照提高4倍以上。该菌还能直接以海带粉为底物不经酶解预处理发酵产乙醇19.2 g/L。研究证明Vibrio sp. dhg是褐藻生物炼制的高效平台，为利用海洋生物质资源生产增值化学品提供了新途径。
创新点
1) 分离到最大比生长速率0.98 h⁻¹的快速生长褐藻胶利用菌株；2) 建立包括合成启动子文库和5'-UTR设计在内的可预测基因表达工具箱；3) 实现该菌株同时利用褐藻胶和甘露醇，并快速高产多种生化产品；4) 直接利用海带粉无需酶解预处理生产乙醇。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Vibrio sp. dhg | 褐藻胶降解 | alginate lyase (内切) | 褐藻胶裂解酶 | 催化 | 分泌到胞外将褐藻胶解聚为寡聚褐藻胶 |
| Vibrio sp. dhg | 褐藻胶降解 | oligo-alginate lyase (外切) | 寡聚褐藻胶裂解酶 | 催化 | 将寡聚褐藻胶分解为褐藻胶单体DEHU |
| Vibrio sp. dhg | 褐藻胶降解 | dehR | DEHU还原酶 | 催化 | 将DEHU转化为KDG |
| Vibrio sp. dhg | 褐藻胶降解 | kdgK | 2-酮-3-脱氧葡糖酸激酶 | 催化 | 磷酸化KDG生成KDPG |
| Vibrio sp. dhg | 褐藻胶降解 | eda | KDPG醛缩酶 | 催化 | 将KDPG裂解为甘油醛-3-磷酸和丙酮酸 |
| Vibrio sp. dhg | 甘露醇代谢 | mtlA | 甘露醇特异性PTS通透酶 | 转运 | 将甘露醇磷酸化转运入胞 |
| Vibrio sp. dhg | 甘露醇代谢 | mtlD | 甘露醇-1-磷酸脱氢酶 | 催化 | 将甘露醇-1-磷酸转化为果糖-6-磷酸 |
| Vibrio sp. dhg (工程菌) | 乙醇合成 | pdc | 丙酮酸脱羧酶 | 催化 | 来自运动发酵单胞菌，将丙酮酸转化为乙醛 |
| Vibrio sp. dhg (工程菌) | 乙醇合成 | aldB | 乙醛脱氢酶 | 催化 | 来自运动发酵单胞菌，将乙醛转化为乙醇 |
| Vibrio sp. dhg (工程菌) | 2,3-丁二醇合成 | budABC | 乙酰乳酸脱羧酶/乙酰乳酸合酶/乙偶姻还原酶 | 催化 | 来自产气肠杆菌，将丙酮酸转化为2,3-丁二醇 |
| Vibrio sp. dhg (工程菌) | 番茄红素合成 | crtEBI | GGPP合酶/八氢番茄红素合酶/八氢番茄红素去饱和酶 | 催化 | 来自Lamprocystis purpurea，合成番茄红素 |
| Vibrio sp. dhg (工程菌) | 番茄红素合成 | dxs, idi, ispA | DXP合酶/IPP异构酶/FPP合酶 | 催化 | 来自大肠杆菌W3110，增强前体供给 |
| Vibrio sp. dhg | 副产物代谢 | ldhA | 乳酸脱氢酶 | 催化 | 敲除以减少乳酸副产物 |
| Vibrio sp. dhg | 副产物代谢 | frdABCD | 富马酸还原酶 | 催化 | 敲除以减少琥珀酸副产物 |
| Vibrio sp. dhg | 副产物代谢 | pflB | 丙酮酸甲酸裂解酶 | 催化 | 敲除以减少甲酸/乙酸副产物 |
关键发现
- 分离的Vibrio sp. dhg最大比生长速率0.98 h⁻¹
- 乙醇摇瓶产量8.4 g/L，分批补料25.7 g/L（3.3% v/v），平均产率1.1 g/L/h，最高1.8 g/L/h，产率达理论值64%
- 2,3-丁二醇分批补料27.1 g/L（含乙偶姻31.3 g/L），产率1.3 g/L/h，产率0.40 g/g糖（理论值81%）
- 番茄红素最高6.2 mg/L（9 h），比对照大肠杆菌产率提高4倍以上
- 直接发酵海带粉产乙醇19.2 g/L（2.4% v/v），产率63%
- 合成启动子强度差异41倍，预测R²=0.72
- 5'-UTR设计表达差异53倍，预测R²=0.79。
研究结论
Vibrio sp. dhg可作为褐藻生物炼制的高效平台，其快速生长和高代谢活性使其能够高效将褐藻糖转化为多种增值生化产品。