Inactivation of aldehyde dehydrogenase: A key factor for engineering 1,3-propanediol production by Klebsiella pneumoniae
- 作者
- Yanping Zhang, Yin Li, Chenyu Du, Ming Liu, Zhu'an Cao
- 单位
- 清华大学化学工程系生化工程研究所，北京100084；中国科学院微生物研究所，北京100080
- 杂志
- Metabolic Engineering（2006）
- DOI
- 10.1016/j.ymben.2006.05.008
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
肺炎克雷伯氏菌以甘油为底物发酵生产1,3-丙二醇（1,3-PD）时，乙醇形成途径消耗NADH，与1,3-PD的合成竞争辅因子，导致1,3-PD产量和得率下降。
研究策略
通过插入四环素抗性标记失活编码乙醛脱氢酶（ALDH）的aldA基因，阻断乙醇形成的第一步反应，从而增加NADH的可用性，促进1,3-PD的合成，并实现代谢通量的重新分布。
核心内容
该研究通过同源重组插入四环素抗性标记，失活肺炎克雷伯氏菌YMU2中编码乙醛脱氢酶的aldA基因，构建突变株DA-1HB，旨在阻断乙醇合成途径、减少NADH消耗，从而促进1,3-丙二醇（1,3-PD）的合成。实验结果表明，突变株ALDH活性几乎检测不到，乙醇形成被基本消除。在发酵中，1,3-PD最终浓度达到927.6 mmol/L，为亲本菌株的132.8%；生产强度提高至14.05 mmol/L/h；对甘油得率达0.699 mol/mol，达到理论最大值得率的97.1%，约为亲本的两倍。同时，乙醇浓度降至亲本的18.3%，而乙酸浓度有所升高。由于突变株生物量降低，其比生产能力（398.1 mmol/g细胞）约为亲本的两倍，胞内NADH/NAD⁺比例显著上升。该工作证明失活醛脱氢酶可有效增加NADH可用性，使代谢通量从乙醇副产物转向目标产物，为通过辅因子工程优化氧化还原耦合型生物合成途径提供了范例。
创新点
首次在肺炎克雷伯氏菌中通过同源重组失活aldA基因；证明了阻断乙醇途径可显著提高1,3-PD的产量、生产强度和得率，并接近理论最大得率。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Klebsiella pneumoniae YMU2（及其aldA失活突变株DA-1HB） | 甘油代谢/1,3-丙二醇生物合成/乙醇形成 | aldA | 乙醛脱氢酶（ALDH） | 催化 | aldA编码的ALDH催化乙酰-CoA转化为乙醛，是乙醇形成的第一步；通过插入四环素抗性标记将其失活，阻断乙醇形成，增加NADH可用性。 |
关键发现
- 突变株DA-1HB的ALDH活性几乎检测不到，乙醇形成几乎被消除
- 1,3-PD最终浓度达927.6 mmol/L，为亲本菌株的132.8%
- 生产强度为14.05 mmol/L/h（亲本为10.58）
- 1,3-PD对甘油得率达0.699 mol/mol，为亲本（0.355）的196.9%，达到理论最大值得率的97.1%
- 乙醇浓度降至36.8 mmol/L（仅占亲本的18.3%）
- 乙酸浓度增至149.8 mmol/L（亲本的131.2%）。由于突变株生物量降低（2.33 g/L vs 3.42 g/L），其比1,3-PD生产能力（398.1 mmol/g细胞）为亲本（204.3）的约2倍。细胞内NADH/NAD⁺比例显著升高。
研究结论
失活醛脱氢酶是提高肺炎克雷伯氏菌1,3-PD生产效率和得率的有效策略，通过阻断乙醇合成、增加NADH可用性，实现了代谢通量向目标产物1,3-PD的显著转移，最终得率达理论最大值的97.1%，为类似氧化还原偶联生物过程提供了借鉴。