Metabolic engineering of Thermobifida fusca for direct aerobic bioconversion of untreated lignocellulosic biomass to 1-propanol
- 作者
- Yu Deng, Stephen S. Fong
- 单位
- Department of Chemical and Life Science Engineering, Virginia Commonwealth University; Thayer School of Engineering, Dartmouth College
- 杂志
- Metabolic Engineering（2011）
- DOI
- 10.1016/j.ymben.2011.06.007
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
实现未处理木质纤维素生物质在有氧条件下直接转化为1-丙醇，并建立Thermobifida fusca作为需氧纤维素降解生物过程平台。
研究策略
通过计算预测，在T. fusca中异源表达来自丙酮丁醇梭菌的双功能丁醛/醇脱氢酶基因adhE2，同时敲除纤维素酶调控基因celR，实现直接转化多种碳源（包括未处理生物质）生产1-丙醇。
核心内容
该研究通过代谢工程改造好氧嗜热放线菌Thermobifida fusca，使其能够直接将未处理的木质纤维素生物质转化为1-丙醇。研究者计算预测并在该菌中异源表达了来自丙酮丁醇梭菌的双功能丁醛/醇脱氢酶基因adhE2，同时通过单次重组事件敲除纤维素酶调控基因celR，构建了工程菌株B6。在葡萄糖、纤维二糖、Avicel、柳枝稷和玉米秸秆等多种碳源上，B6均能产1-丙醇，其中以柳枝稷为底物时滴度最高达0.48 g/L，理论产率为37.3%。酶学实验揭示该菌主要经琥珀酰-CoA途径合成1-丙醇，而非酮酸途径。值得注意的是，T. fusca天然耐受高达50 g/L的1-丙醇，远超大肠杆菌的耐受阈值，且B6倍增时间为2.82小时。该工作首次实现在有氧条件下未处理生物质到1-丙醇的直接转化，为需氧纤维素生物炼制提供了可行的平台菌株，但adhE2表达水平仍是产量进一步提升的关键瓶颈。
创新点
首次在有氧微生物中实现未处理木质纤维素生物质直接转化为1-丙醇；利用单次重组事件同时敲除celR并整合adhE2；阐明了T. fusca中1-丙醇合成主要经由琥珀酰-CoA途径而非酮酸途径。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Thermobifida fusca B6 | 1-丙醇合成途径 | adhE2 | 双功能丁醛/醇脱氢酶 | 催化 | 来自Clostridium acetobutylicum，催化丙酰-CoA到丙醛及丙醛到1-丙醇。 |
| Thermobifida fusca B6 | 纤维素酶表达调控 | celR (Tfu_0938) | CelR | 调控 | 敲除以解除对纤维素酶基因的抑制。 |
| Thermobifida fusca | 丙酸/丙酰-CoA代谢 | Tfu_1546 | 乙酰-CoA合成酶 | 催化 | 可能催化丙酸与丙酰-CoA相互转化。 |
| Thermobifida fusca | 丙酸/丙酰-CoA代谢 | Tfu_2971 | 乙酸激酶 | 催化 | 可能催化丙酸与丙酰磷酸相互转化。 |
| Thermobifida fusca | 丙酰-CoA代谢 | Tfu_0948 | 丙酰-CoA羧化酶 | 催化 | 催化丙酰-CoA与2-甲基丙二酰-CoA反应。 |
关键发现
- 工程菌B6在葡萄糖、纤维二糖、Avicel、柳枝稷和玉米秸秆上均能产生1-丙醇，最高滴度为0.48 g/L（柳枝稷），Avicel为0.41 g/L
- 柳枝稷和玉米秸秆上的理论产率分别为37.3%
- 每克干细胞产量最高为0.87 g（柳枝稷）和0.73 g（玉米秸秆）
- T. fusca天然耐受1-丙醇浓度高达50 g/L，而E. coli在40 g/L停止生长
- B6株倍增时间为2.82 h，野生型为2.01 h
- 酶学实验表明T. fusca利用琥珀酰-CoA到丙酰-CoA途径而不是苏氨酸脱水酶/丙酮酸氧化酶途径
- adhE2表达可能是产量瓶颈。
研究结论
本研究证明T. fusca经工程化后能够直接将未处理木质纤维素生物质有氧转化为1-丙醇，且具有较高的1-丙醇耐受性和纤维素降解能力，作为需氧纤维素生物过程平台具有进一步改造的潜力。