Clostridia: a flexible microbial platform for the production of alcohols
- 作者
- Cong Ren, Zhiqiang Wen, Yan Xu, Weihong Jiang, Yang Gu
- 单位
- State Key Laboratory of Food Science and Technology, Jiangnan University; Key Laboratory of Industrial Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University; Key Laboratory of Synthetic Biology, Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences; Jiangsu National Synergetic Innovation Center for Advanced Materials, SICAM; Shanghai Collaborative Innovation Center for Biomanufacturing Technology
- 杂志
- Current Opinion in Chemical Biology（2016）
- DOI
- 10.1016/j.cbpa.2016.08.024
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用溶剂性梭菌的底物多样性和代谢工程手段，实现从木质纤维素和C1气体等廉价可再生原料高效生产醇类（尤其是高级醇）燃料。
研究策略
系统综述梭菌利用木质纤维素水解物、纤维素整合生物加工（CBP）和气体发酵（Wood-Ljungdahl通路）的底物策略，以及通过基因敲除、异源表达、强化关键酶和调控因子的代谢工程改造策略。
核心内容
该文系统综述了溶剂性梭菌作为醇类生产平台的底物利用策略与代谢工程改造进展。作者梳理了梭菌利用木质纤维素水解物、整合生物加工及气体发酵（Wood-Ljungdahl通路）的多种底物路径，重点总结了近年来借助CRISPR/Cas9等遗传工具对纤维素分解型和气体发酵型梭菌进行工程改造、生产非天然高级醇的成果。文中列举的关键案例包括：强化直接丁醇途径后C. acetobutylicum丁醇产量达18.9 g/L，产率0.71 mol/mol葡萄糖；C. cellulovorans表达adhE2后以纤维素为底物产丁醇1.42 g/L；C. carboxidivorans在中空纤维膜反应器中以CO产乙醇超过23 g/L；C. thermocellum与T. saccharolyticum共培养以Avicel产乙醇38 g/L。这些结果说明溶剂性梭菌凭借底物与产物多样性，是生产1-丁醇等高级醇的重要工业微生物平台，代谢工程可显著提升产量，但原料成本仍是主要瓶颈，纤维素分解与气体发酵型菌株有望降低成本，需进一步提高转化效率与经济性。
创新点
总结并强调了溶剂性梭菌作为灵活微生物平台的优势，特别关注近年遗传工具（如CRISPR/Cas9）发展后对纤维素分解和气体发酵梭菌进行工程改造、生产非天然高级醇的新进展。
研究对象（17）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium acetobutylicum | ABE发酵（丁醇合成途径） | adhE1 | 醛/醇脱氢酶 | 催化 | 过表达 adhE1p48SG 并敲除 buk 和 pta，丁醇产量18.9 g/L |
| Clostridium acetobutylicum | 糖酵解 | pfkA | 6-磷酸果糖激酶 | 催化 | 过表达提高丁醇产量至13.07 g/L |
| Clostridium acetobutylicum | 糖酵解 | prkA | 丙酮酸激酶 | 催化 | 与 pfkA 共同过表达，增强糖酵解通量 |
| Clostridium acetobutylicum | 丁醇合成途径 | thl | 硫解酶 | 催化 | 工程突变体 thl9G4 提高丁醇产量至12.4 g/L |
| Clostridium acetobutylicum | 异丙醇-丁醇-乙醇(IBE)途径 | sadh | 二级醇脱氢酶 | 催化 | 来自 C. beijerinckii NRRL B-593，将丙酮还原为异丙醇，IBE产量27.9 g/L |
| Clostridium acetobutylicum | 碳代谢抑制（CCR） | ccpA | 分解代谢物控制蛋白A | 调控 | 敲除 ccpA 消除葡萄糖对木糖利用的抑制 |
| Clostridium beijerinckii | 丁醇合成途径 | nuoG | NADH脱氢酶亚基 | 能量供给 | 敲除 nuoG 提高 NADH 和 ATP 水平，丁醇产量9.5 g/L |
| Clostridium tyrobutyricum | 丁醇合成途径 | adhE2 | 醛/醇脱氢酶 | 催化 | 异源表达，共利用葡萄糖和木糖产丁醇15.7 g/L |
| Clostridium tyrobutyricum | 木糖代谢 | xylT | 木糖转运蛋白 | 转运 | 用于共利用木糖 |
| Clostridium tyrobutyricum | 木糖代谢 | xylA, xylB | 木糖异构酶和木酮糖激酶 | 催化 | 与 xylT 一起实现木糖利用 |
| Clostridium cellulovorans | 丁醇合成途径 | adhE2 | 醛/醇脱氢酶 | 催化 | 以纤维素为底物产丁醇1.42 g/L（CBP） |
| Clostridium thermocellum | 乙醇合成途径 | ldh | 乳酸脱氢酶 | 催化 | 敲除以减少乳酸副产物 |
| Clostridium thermocellum | 异丁醇合成途径（酮酸途径） | kivD | 酮酸脱羧酶 | 催化 | 以纤维素为底物产异丁醇5.4 g/L |
| Clostridium thermocellum | 异丁醇合成途径（酮酸途径） | ilvB, ilvN, ilvC, ilvD | 支链氨基酸合成酶复合体 | 催化 | 与 kivD 共同表达，实现异丁醇合成 |
| Clostridium autoethanogenum | 丁醇合成途径（CoA依赖） | thlA, bcd, ctfA, ctfB, buk, ptb, hbd | 硫解酶、丁酰辅酶A脱氢酶、辅酶A转移酶、丁酸激酶、磷酸转丁酰酶、3-羟基丁酰辅酶A脱氢酶 | 催化 | 以CO为底物产丁醇1.9 g/L |
| Clostridium ljungdahlii | Wood-Ljungdahl通路 | — | — | 催化 | 气体发酵固定CO/CO2产乙醇等 |
| Clostridium carboxidivorans | 气体发酵 | — | — | 催化 | 利用H2/CO2/CO产乙醇、丁醇、己醇；中空纤维膜反应器中乙醇>23 g/L |
关键发现
- 典型ABE发酵中丁醇占产物60-70%、乙醇约10%
- 通过强化直接丁醇形成途径，C. acetobutylicum 丁醇产量达18.9 g/L、产率0.71 mol/mol葡萄糖
- 过表达 pfkA 和 prkA 时丁醇13.07 g/L
- 工程化硫解酶后12.4 g/L
- IBE发酵（异丙醇-丁醇-乙醇）总醇产量21-28 g/L（最高27.9 g/L）
- C. beijerinckii ΔnuoG 丁醇9.5 g/L
- C. tyrobutyricum 共利用葡萄糖和木糖产丁醇15.7 g/L
- C. cellulovorans 表达 adhE2 以纤维素产丁醇1.42 g/L
- C. thermocellum 经敲除副产物途径后乙醇3.4 g/L，异丁醇5.4 g/L
- C. autoethanogenum 以CO产丁醇1.9 g/L
- C. carboxidivorans P7 在中空纤维膜生物反应器中产乙醇超过23 g/L
- C. thermocellum 与 T. saccharolyticum 共培养以Avicel产乙醇38 g/L（145h）。
研究结论
溶剂性梭菌具备底物和代谢产物多样性，是生产高级醇（如1-丁醇）的重要工业微生物平台；通过代谢工程和合成生物学方法可显著提高醇类产量。当前主要限制是原料成本，纤维素分解和气体发酵梭菌有望在未来降低原料成本，但需进一步提高转化效率和过程经济性。