Anaerobic fermentation of glycerol: a platform for renewable fuels and chemicals
- 作者
- James M. Clomburg, Ramon Gonzalez
- 单位
- Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Rice University; Department of Bioengineering, Rice University
- 杂志
- Trends in Biotechnology（2013）
- DOI
- 10.1016/j.tibtech.2012.10.006
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
甘油作为生物炼制过程中大量产生的副产物，价格低廉且碳原子还原度高，但微生物在无外源电子受体条件下（厌氧发酵）利用甘油存在氧化还原平衡的挑战，如何通过天然菌株或工程改造将其高效转化为燃料和化学品是核心问题。
研究策略
综述甘油厌氧发酵生产多种燃料和化学品的现有工程策略，包括利用天然产1,3-丙二醇、琥珀酸、丙酸、乙醇、正丁醇等的菌株，以及通过代谢工程改造大肠杆菌等模式菌株，开发新的甘油利用途径并提高目标产物产率。
核心内容
该文系统综述了以甘油为底物进行厌氧发酵生产燃料和化学品的平台策略。甘油作为生物炼制副产物，碳原子还原度高达4.67，优于葡萄糖和木糖的4.0，理论上可获得更高产物收率，但厌氧条件下微生物面临氧化还原平衡挑战。文章一方面总结了天然菌株的生产性能，如Clostridium butyricum AKR102a产1,3-丙二醇达93.7 g/L（产率0.52 g/g），Actinobacillus succinogenes产琥珀酸29.3 g/L，Clostridium pasteurianum MBEL_GLY2产正丁醇17.8 g/L；另一方面展示了通过基因敲除、过表达和适应性进化改造大肠杆菌的策略，例如工程菌以甘油产琥珀酸达到理论最大产率的80%，产乙醇达理论最大值的92%并等摩尔共产氢气，化学诱变菌株氢气产量提高20倍。该综述表明甘油凭借还原度优势，结合天然菌株筛选与工程改造，可高效生产多种燃料和化学品，大肠杆菌因其遗传可操作性已成为甘油厌氧发酵工程化的重要底盘。
创新点
系统总结了甘油作为生物炼制平台分子的潜力，强调甘油比糖类更高的还原度（κ=4.67）带来的理论产率优势；提出了大肠杆菌厌氧发酵甘油的1,2-PDO-乙醇模型，并展示了通过基因敲除、过表达和适应性进化等策略改造大肠杆菌生产多种燃料和化学品的可行性。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Klebsiella pneumoniae | 1,3-PDO合成途径 | — | glycerol dehydratase | 催化 | 辅酶B12依赖，催化甘油脱水生成3-羟基丙醛 |
| Klebsiella pneumoniae | 1,3-PDO合成途径 | — | 1,3-PDO dehydrogenase (1,3-PDODH) | 催化 | NADH依赖，催化3-羟基丙醛还原为1,3-PDO |
| Escherichia coli | 甘油发酵氧化途径 | gldA | glycerol dehydrogenase (glyDH-II) | 催化 | 催化甘油氧化为二羟丙酮(DHA) |
| Escherichia coli | 甘油发酵氧化途径 | dhaKLM | dihydroxyacetone kinase (DHAK) | 催化 | 催化DHA磷酸化为磷酸二羟丙酮(DHAP) |
| Escherichia coli | 琥珀酸合成途径 | pck | PEP carboxykinase | 催化 | 上调表达，催化PEP羧化生成草酰乙酸并产生ATP |
| Escherichia coli | 混合酸发酵途径 | pflB | pyruvate formate lyase | 催化 | 失活以减少副产物甲酸等的形成 |
| Escherichia coli | 糖磷酸转移酶系统(PTS) | ptsI | phosphoenolpyruvate:carbohydrate phosphotransferase system enzyme I | 转运 | 删除ptsI以减少PTS系统对甘油发酵的干扰及副产物形成 |
| Escherichia coli | 氢/乙醇生产 | frdC | fumarate reductase | 催化 | 删除frdC以减少氢的再利用，从而增加氢气产量 |
关键发现
- 甘油碳原子还原度为4.67，高于葡萄糖和木糖（均为4）。代表性产量数据：Clostridium butyricum AKR102a以精制甘油在1升规模产1,3-PDO达93.7 g/L（产率0.52 g/g，总生产率3.35 g/L/h）；C. butyricum VPI 1718以粗甘油非灭菌发酵产1,3-PDO
- 9 g/L（0.55 g/g）；工程大肠杆菌以甘油产1,2-PDO
- 6 g/L（0.21 g/g）；Anaerobiospirillum succiniproducens产琥珀酸19.0 g/L（1.60 g/g）；Actinobacillus succinogenes产琥珀酸29.3 g/L（0.80 g/g）；工程大肠杆菌产琥珀酸12 g/L（达到理论最大产率的80%，约1.0摩尔/摩尔）；Propionibacterium acidipropionici产丙酸42 g/L（最大生产率0.36 g/L/h）；Enterobacter aerogenes HU-101产乙醇10.0 g/L（0.40 g/g）；Citrobacter freundii FMCC-207产乙醇14.5 g/L（0.45 g/g）；Klebsiella oxytoca FMCC-197共产乙醇25.2 g/L、1,3-PDO
- 1 g/L和乳酸16.8 g/L；工程大肠杆菌产乙醇19.8 g/L（0.47 g/g），达到理论最大值的92%，并等摩尔共产氢气；经化学诱变筛选的大肠杆菌突变体氢气产量提高20倍（0.68 mmol/L/h），乙醇产量和生长速率提高5倍；Clostridium pasteurianum MBEL_GLY2产正丁醇17.8 g/L（0.30 g/g），C. pasteurianum DSM 525以thin stillage产正丁醇7.2 g/L。
研究结论
甘油因来源丰富、价格低廉和高还原度，是生产燃料和还原化学品的理想碳源。以甘油为底物的厌氧发酵可使产物收率高于糖类。已有多株天然菌株（如克雷伯氏菌、梭菌、丙酸杆菌等）和工程菌（如大肠杆菌）实现了1,3-PDO、1,2-PDO、琥珀酸、丙酸、乙醇和正丁醇等产品的高效生产。大肠杆菌因其遗传操作成熟，已成为甘油厌氧发酵工程改造的重要平台。未来结合代谢工程和合成生物学技术将进一步拓展产物范围并提高工业竞争力。