Production of xylitol from D-xylose by recombinant Lactococcus lactis
- 作者
- Antti Nyyssölä, Anne Pihlajaniemi, Airi Palva, Niklas von Weymarn, Matti Leisola
- 单位
- Laboratory of Bioprocess Engineering, Helsinki University of Technology; Faculty of Veterinary Medicine, Department of Basic Veterinary Sciences, Section of Veterinary Microbiology, University of Helsinki
- 杂志
- Journal of Biotechnology（2005）
- DOI
- 10.1016/j.jbiotec.2005.03.014
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
利用食品安全级的乳酸乳球菌作为宿主，实现高效微生物法生产木糖醇，避免使用具有致病性的Candida菌株，并达到与其相当的生产效率。
研究策略
在乳酸乳球菌NZ9800中异源表达Pichia stipitis的木糖还原酶基因XYL1，并共表达Lactobacillus brevis的木糖-H+共转运蛋白基因xyIT；利用非生长细胞在高细胞密度、微氧条件下，以葡萄糖为辅助底物，将D-木糖还原为木糖醇。通过葡萄糖限制的补料分批策略优化木糖醇产量与葡萄糖消耗的比例。
研究路线图
核心内容
该研究在食品安全级乳酸乳球菌NZ9800中异源表达树干毕赤酵母的木糖还原酶基因XYL1，并共表达短乳杆菌的木糖-H+共转运蛋白基因xyIT，构建了重组菌株LLXTXR，以实现微生物法生产木糖醇。利用非生长细胞在高细胞密度、微氧条件下以葡萄糖为辅助底物还原D-木糖，并通过葡萄糖限制的补料分批策略优化木糖醇产量与葡萄糖消耗的比例。结果显示，共表达菌株的木糖还原酶最大活性为1.3 μmol min⁻¹ mg⁻¹，[U-14C]木糖积累量为3.0 nmol OD⁻¹ ml⁻¹，证实转运蛋白功能性表达。在160 g/L初始木糖浓度下，20 h时木糖醇体积生产率达2.72 g L⁻¹ h⁻¹，木糖醇得率为1.0 mol/mol，木糖醇/葡萄糖消耗比达2.5 mol/mol，较分批模式的0.22 mol/mol提高约10倍。此外，该菌株还能还原L-阿拉伯糖和D-核糖生成相应糖醇。该研究首次证明食品安全的乳酸乳球菌可实现与致病性念珠菌相当的木糖醇生产率，具有非致病性、无需通气及得率接近定量等优势，但高浓度木糖下转化不完全及木糖醇的产物抑制仍需后续解决。
创新点
['首次证明食品相容的细菌菌株（乳酸乳球菌）可实现与Candida相当的木糖醇生产率。', '利用非生长细胞和葡萄糖限制的补料分批策略，使木糖醇/葡萄糖消耗比提高约10倍。', '构建了XYL1-xyIT双基因共表达系统，并验证了木糖转运蛋白在乳酸乳球菌中的功能性表达。']
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Lactococcus lactis NZ9800 | 木糖还原代谢通路 | XYL1 | 木糖还原酶 | 催化 | 来自Pichia stipitis CBS 5773，以NADH和NADPH为辅因子，NADH/NADPH活性比为0.64 |
| Lactococcus lactis NZ9800 | 木糖转运 | xyIT | 木糖-H+共转运蛋白 | 转运 | 来自Lactobacillus brevis ATCC 8287，在乳酸乳球菌中功能性表达，但共表达未显著提高木糖醇生产效率 |
关键发现
['在LLXR菌株中，木糖还原酶最大活性为1.8 μmol min^-1 mg^-1（以NADH为底物），NADH/NADPH活性比为0.64。', '共表达菌株LLXTXR的最大木糖还原酶活性为1.3 μmol min^-1 mg^-1，最大[U-14C]木糖积累量为3.0 nmol OD^-1 ml^-1（约11 nmol mg^-1细胞干重），转化效率为3.9%。', '在葡萄糖限制的补料分批模式下，木糖醇/葡萄糖消耗比达2.3 mol/mol，比分批模式（0.22 mol/mol）提高约10倍。', '在160 g/L初始木糖浓度下，20 h时木糖醇体积生产率为2.72 g L^-1 h^-1，木糖醇得率为1.0 mol/mol，木糖醇/葡萄糖消耗比为2.5 mol/mol，木糖消耗34%。', '40.5 h时体积生产率降至1.83 g L^-1 h^-1，木糖消耗50%，木糖醇得率仍为1.02 mol/mol。', 'LLXR菌株还能有效还原L-阿拉伯糖（生成34 mM L-阿拉伯糖醇）和D-核糖（生成33 mM核糖醇），木糖醇生成量为28 mM。', '发酵代谢产物分析显示，早期以混合酸发酵为主（6.5 h时乙酸占总产物61%，乳酸占20%），后期转为同型乳酸发酵（40.5 h时乳酸占约50%）。']
研究结论
乳酸乳球菌作为食品安全的细菌宿主，通过异源表达木糖还原酶可高效将木糖还原为木糖醇，具有几乎定量的木糖醇得率、有竞争力的体积生产率、无需通气和非致病性等优势。但高初始木糖浓度下转化不完全（20 h仅消耗34%木糖），且木糖醇对菌株生长有抑制，需要后续分离回收剩余木糖。