Combined overexpression of genes involved in pentose phosphate pathway enables enhanced D-xylose utilization by Clostridium acetobutylicum
- 作者
- Lin Jin, Hui Zhang, Liwen Chen, Chen Yang, Sheng Yang, Weihong Jiang, Yang Gu
- 单位
- Key Laboratory of Synthetic Biology, Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences; Graduate University of the Chinese Academy of Sciences; Shanghai Research and Development Center of Industrial Biotechnology; Hebei Normal University
- 杂志
- Journal of Biotechnology（2014）
- DOI
- 10.1016/j.jbiotec.2014.01.002
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
丙酮丁醇梭菌对D-木糖的天然利用效率较低，影响木质纤维素生物质在ABE发酵中的应用，需要提高其D-木糖利用能力。
研究策略
鉴定丙酮丁醇梭菌中参与戊糖磷酸途径（PPP）的关键基因（tal、tkl、rpe、rpi），并将其组合过表达，以增强D-木糖同化与溶剂生产。
核心内容
针对丙酮丁醇梭菌天然利用D-木糖效率低的问题，本研究通过组合过表达戊糖磷酸途径（PPP）中四个关键基因，包括编码转醛醇酶、转酮醇酶、核酮糖-5-磷酸3-差向异构酶和核糖-5-磷酸异构酶的CAC1347、CAC1348、CAC1730及CAC2880，以增强该菌株的木糖同化能力。利用异源互补和体外酶活实验确认了这些基因的功能，其中过表达CAC1347可使大肠杆菌突变株的转醛醇酶活性提高约50%（0.146对0.084–0.099 U/mg蛋白）。在重组菌株824-TTRR中，四个基因的转录水平分别提升116、46、43和96倍，132小时内消耗约34 g/L D-木糖，而对照菌株824-P仅消耗24 g/L。丁醇产量由3.71 g/L提升至5.32 g/L，丙酮和乙醇也分别增至3.11 g/L和1.24 g/L，总溶剂产量提高42%。结果表明，组合过表达PPP关键酶可显著强化丙酮丁醇梭菌的木糖利用与溶剂合成，为优化木质纤维素基ABE发酵提供了切实有效的代谢工程策略。
创新点
首次通过异源互补和体外酶活实验验证了C. acetobutylicum中CAC1347（tal）、CAC1348（tkl）、CAC1730（rpe）和CAC2880（rpi）的功能；并采用组合过表达策略显著提升木糖利用和溶剂产量。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium acetobutylicum ATCC 824 | 戊糖磷酸途径 (PPP) | CAC1347 (tal) | 转醛醇酶 (TAL) | 催化 | 通过体外酶活验证，过表达后TAL活性提高约50% |
| Clostridium acetobutylicum ATCC 824 | 戊糖磷酸途径 (PPP) | CAC1348 (tkl) | 转酮醇酶 (TKL) | 催化 | 通过E. coli BJ502互补实验验证功能 |
| Clostridium acetobutylicum ATCC 824 | 戊糖磷酸途径 (PPP) | CAC1730 (rpe) | 核酮糖-5-磷酸3-差向异构酶 (RPE) | 催化 | 通过E. coli JW3349-2互补实验验证功能 |
| Clostridium acetobutylicum ATCC 824 | 戊糖磷酸途径 (PPP) | CAC2880 (rpi) | 核糖-5-磷酸异构酶 (RPI) | 催化 | 通过E. coli JW5475-1-rpiB互补实验验证功能 |
关键发现
- 重组菌824-TTRR在132 h消耗约34 g/L D-木糖，对照菌824-P仅消耗24 g/L；溶剂产量：丙酮3.11 g/L vs
- 05 g/L，丁醇5.32 g/L vs
- 71 g/L，乙醇1.24 g/L vs
- 04 g/L，总溶剂产量提高42%；四个基因的转录水平分别提高116、46、43和96倍；过表达CAC1347使大肠杆菌ΔtalAΔtalB突变株的转醛醇酶活性提高约50%（0.146 vs
- 084-0.099 U/mg蛋白）。
研究结论
组合过表达PPP途径四个关键基因可显著增强C. acetobutylicum的D-木糖利用能力和溶剂产量，为优化木质纤维素基ABE发酵提供了有效策略。