高级醇 · 代谢工程文献库

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Xylan supplement improves 1,3-propanediol fermentation by Clostridium butyricum

作者
Waraporn Apiwatanapiwat, Pilanee Vaithanomsat, Warunee Thanapase, Khanok Ratanakhanokchai, Akihiko Kosugi
单位
Graduate School of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba, Japan; Kasetsart Agricultural and Agro-Industrial Product Improvement Institute, Kasetsart University, Thailand; Center for Advanced Studies in Tropical Natural Resources, National Research University-Kasetsart University (CASTNAR, NRU-KU), Kasetsart University, Thailand; School of Bioresources and Technology, King Mongkut's University of Technology Thonburi, Thailand; Biological Resources and Post-Harvest Division, Japan International Research Center for Agricultural Sciences, Japan
杂志
Journal of Bioscience and Bioengineering（2018）
DOI
10.1016/j.jbiosc.2017.12.006
所属领域
发酵工程
关键词
1,3-PropanediolCassava pulpClostridium butyricumGlycerolHemicelluloseXylan
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解决的核心问题

如何在不进行预处理和避免单糖引起的分解代谢物阻遏的条件下，利用木质纤维素生物质直接作为辅助底物提高丁酸梭菌从甘油生产1,3-丙二醇的产量和效率。

研究策略

通过脱淀粉制备木薯渣纤维（CPF），并对比其组分纤维素和木聚糖作为辅助底物，考察对菌株生长、1,3-丙二醇产量、关键酶基因转录、酶活性及NADH/NAD+比值的影响，揭示其促进机理。

研究路线图

100%
研究问题：免预处理利用木质纤维素提高1,3-PD产量
策略：脱淀粉制备CPF，对比木聚糖/纤维素作辅助底物
关键改造1：添加2 g/L CPF（含48.3%纤维素+10.2%木聚糖）
关键改造2：添加2 g/L木聚糖（激活还原途径）
分子机制：dhaB1↑2.7-4.9倍，dhaT↑4.2-6.2倍，dhaD↓2-4倍，酶活↑1.7-4.4倍
结果：20 g/L甘油时1,3-PD 6.41→7.53 g/L，转化率0.57→0.66，产率0.26→0.31
高甘油验证：60 g/L时1,3-PD达10.2 g/L，产率0.41 g/L/h
结论：免预处理木聚糖/CPF直接补料提升1,3-PD，低成本可持续策略
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核心内容

该研究以丁酸梭菌15-42为底盘，探索在不进行预处理和避免单糖分解代谢物阻遏的条件下，直接利用木质纤维素辅助底物提升甘油发酵生产1,3-丙二醇（1,3-PD）的效率。作者制备了脱淀粉木薯渣纤维（CPF），并分别添加其组分纤维素和木聚糖作为辅助底物，考察菌株生长、产物产量、关键酶基因转录、酶活性及NADH/NAD+比值的变化。结果显示，在20 g/L甘油中添加2 g/L CPF使1,3-PD浓度由6.41 g/L提高至7.53 g/L，转化率由0.57提升至0.66 mol/mol，生产率达0.31 g/L/h；添加2 g/L木聚糖效果类似（7.40 g/L），而纤维素无显著改善。在60 g/L高甘油浓度下，CPF和木聚糖分别使1,3-PD达10.2和9.82 g/L。机制研究表明，木聚糖补料使dhaB1和dhaT转录水平分别提高2.7–4.9倍和4.2–6.2倍，同时降低dhaD表达，甘油脱水酶和1,3-PD脱氢酶活性提升1.7–4.4倍，从而激活甘油还原途径并维持NADH再生。该发现为无需预处理的低成本1,3-PD生产提供了新策略。

创新点

首次报道将未经预处理的木聚糖或含木聚糖的CPF直接作为辅助底物显著提高C. butyricum的1,3-PD发酵；发现木聚糖通过上调dhaB1和dhaT表达激活还原途径，并维持NADH再生促进1,3-PD合成；高甘油浓度下仍有效。

研究对象（6）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Clostridium butyricum 15-42 甘油还原途径（1,3-丙二醇合成） dhaB1 甘油脱水酶（glycerol dehydratase） 催化 编码甘油脱水酶，转录水平在木聚糖补料时上调2.7-4.9倍
Clostridium butyricum 15-42 甘油还原途径（1,3-丙二醇合成） dhaT 1,3-丙二醇脱氢酶（1,3-propanediol dehydrogenase） 催化 转录水平在木聚糖补料时上调4.2-6.2倍，酶活提高
Clostridium butyricum 15-42 甘油氧化途径 dhaD 甘油脱氢酶（glycerol dehydrogenase） 催化 转录水平在木聚糖补料时下调2-4倍
Clostridium butyricum 15-42 木聚糖降解 — β-1,4-木聚糖酶（β-1,4-xylanase） 催化 胞外弱活性，0.062 U/mg
Clostridium butyricum 15-42 木聚糖降解 — β-木糖苷酶（β-xylosidase） 催化 未检出活性
Clostridium butyricum 15-42 糖转运 — 磷酸转移酶系统（PTS） 转运 推测参与木寡糖摄入

关键发现

  1. 在20 g/L甘油中添加2 g/L CPF使1,3-PD浓度由6.41±0.37 g/L提高到7.53±0.35 g/L，转化率由0.57±0.02提高到0.66±0.02 mol/mol，生产率由0.26±0.02提高到0.31±0.01 g/L/h
  2. 添加2 g/L木聚糖使1,3-PD达到7.40±0.59 g/L，转化率0.61±0.04 mol/mol，生产率0.31±0.02 g/L/h
  3. 纤维素无显著改善（6.49±1.00 g/L）。在60 g/L甘油高浓度下，CPF和木聚糖分别使1,3-PD达10.2±0.58 g/L和9.82±0.19 g/L，生产率达0.41±0.03和0.42±0.02 g/L/h。木聚糖补料使dhaB1和dhaT转录水平分别提高2.7-4.9倍和4.2-6.2倍，dhaD降低2-4倍
  4. 甘油脱水酶和1,3-PD脱氢酶活性提高1.7-4.4倍。CPF含纤维素48.3±2.3%和木聚糖10.2±1.1%。

研究结论

直接补充木聚糖或含木聚糖的CPF可显著提高C. butyricum 15-42从甘油发酵生产1,3-PD的产量与生产率，机制是通过上调还原途径关键酶基因表达和维持NADH再生，且在高甘油浓度下仍有效，无需预处理，为低成本1,3-PD生产提供新策略。