Engineering microbes to produce biofuels
- 作者
- Lawrence P Wackett
- 单位
- Department of Biochemistry, Molecular Biology and Biophysics and BioTechnology Institute, University of Minnesota, 1479 Gortner Avenue, St. Paul, MN 55108, USA
- 杂志
- Current Opinion in Biotechnology（2011）
- DOI
- 10.1016/j.copbio.2010.10.010
- 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
如何通过代谢工程改造微生物，将可再生生物质或二氧化碳直接转化为具有优良燃料性能的长链醇、萜烯烃和柴油链烷烃，同时解决生物质解聚、产物毒性和太阳能利用效率等问题
研究策略
综述多种策略：通过极端嗜热菌和纤维素小体实现生物质高效解聚；采用生物-化学混合催化将生物质转化为燃料；利用计算机模型指导代谢工程；通过产物挥发性和耐性改造缓解毒性；工程化光合微生物直接从CO2合成燃料；改造光合蛋白实现人工产氢；以及工程化脂肪酸途径生产脂肪酸、酯和烃类燃料
研究路线图
核心内容
该综述系统梳理了代谢工程与合成生物学领域将微生物改造为生物燃料“细胞工厂”的多条技术路线。在生物质利用方面，极端嗜热菌如Caldicellulosiruptor bescii可在90°C高温下直接降解未经预处理的杨树和柳枝稷，结合纤维素小体策略有望简化解聚流程。在产物合成方面，工程化大肠杆菌产游离脂肪酸可达2.5 g/L，优化后达4.5 g/L/天；携带p(Microdiesel)质粒的菌株干重达61 g/L，其中脂肪酸乙酯占干重25.4%。利用挥发性产物如异丁醛和异戊二烯可实现低能耗回收，其中聚球藻工程菌产异戊二烯为50 μg/g干重/天。在新型途径发掘方面，蓝藻醛脱羰酶基因的发现为柴油链烷烃（C13-C17）的生物合成提供了关键酶；将光系统I直接连接氢化酶或重新设计细胞色素b1，则开辟了太阳能驱动产氢和人工光合反应中心的新思路。该综述表明，多种技术路线并行推进，有望在未来替代不可再生燃料。
创新点
包括利用挥发性产物（异丁醛、异戊二烯）实现低能耗产品回收；发现蓝藻醛脱羰酶基因用于烷烃生物合成；重新设计细胞色素b1实现人工光合反应中心；将光系统I直接连接到氢化酶实现太阳能产氢；采用无细胞酶学分析指导脂肪酸合成途径优化等
研究对象（18）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium thermocellum | 纤维素降解 | cipA; sdbA | CipA; SdbA | 区室化 | 纤维素小体结构中I型cohesin模块与支架蛋白CipA片段相互作用，增强纤维素水解效率 |
| Caldicellulosiruptor bescii DSM 6725T | 木质纤维素降解 | — | — | 催化 | 极端嗜热菌（最高90°C），无需预处理直接降解杨树和柳枝稷等生物质 |
| Escherichia coli | 乙醇合成 | — | — | 催化 | 利用计算机模型指导代谢工程，将甘油高效转化为乙醇 |
| Escherichia coli | 丁醇合成 | — | — | 催化 | 通过in silico设计非天然丁醇生产路线 |
| Clostridium acetobutylicum | 丁醇发酵 | — | — | 调控 | 利用基因表达工具增强丁醇生产 |
| Synechococcus elongatus | 异丁醛合成 | — | — | 催化 | 工程化非天然代谢途径，直接从CO2合成异丁醛，产物易挥发可从气相回收 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 异戊二烯合成 | — | — | 催化 | 光合产异戊二烯，产量50 μg/g干重/天 |
| Escherichia coli | 异戊二烯合成 | — | — | 催化 | 葡萄糖发酵产异戊二烯，产量高于蓝细菌 |
| 海洋黄杆菌 (Flavobacteria) | 光驱动能量代谢 | proteorhodopsin | proteorhodopsin | 能量供给 | 光刺激含proteorhodopsin的海洋细菌生长 |
| Escherichia coli | 光驱动能量代谢 | proteorhodopsin | proteorhodopsin | 能量供给 | 用proteorhodopsin提高异养发酵的能量效率 |
| Escherichia coli (蛋白工程体系) | 人工光合反应中心 | — | 工程改造的细胞色素b1（bacterioferritin） | 催化 | 以锌-氯素置换血红素，双锰置换双铁，实现光催化氧化双锰中心 |
| Photosystem I 体外系统 | 光合产氢 | — | 光系统I; 氢化酶 | 催化 | 通过连接物将光系统I低电位铁硫中心与铂纳米颗粒或氢化酶相连，实现太阳能直接产氢 |
| Escherichia coli | 脂肪酸生物合成 | 植物硫酯酶 | 脂肪酰-ACP硫酯酶 | 催化 | 表达植物硫酯酶解除反馈调控，并阻断脂肪酸降解，实现脂肪酸过量生产与分泌 |
| Escherichia coli | 脂肪酸生物合成 | — | 脂肪酸合成酶系（体外） | 催化 | 通过无细胞脂肪酸合成系统优化酶水平，工程菌总脂肪酸产量达4.5 g/L/天 |
| Escherichia coli (pMicrodiesel) | 脂肪酸乙酯合成 | 酰基转移酶 | 酰基转移酶 | 催化 | 发酵液干重61 g/L，脂肪酸乙酯含量占干重25.4% |
| 产烷烃蓝细菌 | 烷烃生物合成 | aldehyde decarbonylase | 醛脱羰酶 | 催化 | 两步骤途径：脂肪酰基还原为醛，再脱羰生成C13-C17烷烃 |
| Micrococcus luteus | 头对头烯烃生物合成 | ole基因簇 | OleA/OleC等 | 催化 | 脂肪酸头对头缩合生成烯烃，提出脱羧型Claisen缩合机制 |
| Shewanella oneidensis | 头对头烯烃生物合成 | ole基因簇 | OleA等 | 催化 | 非脱羧型Claisen缩合机制，该基因簇存在于68种细菌中 |
关键发现
- 该综述总结了多种工程菌生产生物燃料的进展。具体数据包括：Caldicellulosiruptor bescii DSM 6725T 可在最高90°C下降解未经处理的杨树和柳枝稷等植物生物质
- E. coli 经工程化后可产游离脂肪酸2.5 g/L（Lu等），优化后达4.5 g/L/天（Liu等）
- 携带p(Microdiesel)质粒的E. coli发酵后干重达61 g/L，脂肪酸乙酯含量占干重25.4%
- Synechocystis sp. PCC 6803工程菌产异戊二烯的产量为50 μg/g干重/天。此外，蓝藻中鉴定了柴油链烷烃合成所需的醛脱羰酶基因，可将脂肪酰基还原为醛并脱羰生成C13-C17烷烃
- 将光系统I与氢化酶连接可实现直接太阳能产氢。
研究结论
当前生物燃料研究呈现多种技术路线并进的局面，包括生物质发酵产醇、工程光合生物直接产燃料、脂肪酸衍生燃料等，有望在未来替代不可再生燃料。