Microbial production of propanol
- 作者
- Thomas Walther, Jean Marie François
- 单位
- Université de Toulouse; INSA, UPS, INP; LISBP, 135 Avenue de Rangueil, 31077 Toulouse, France; INRA, UMR792 Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés, 31400 Toulouse, France; CNRS, UMR5504, 31400 Toulouse, France; Toulouse White Biotechnology (TWB) Center, 3 rue Ariane, Canal Biotech Building 2, 31520 Ramonville – St. Agne, France
- 杂志
- Biotechnology Advances（2017）
- DOI
- 10.1016/j.biotechadv.2016.05.011
- 所属领域
- 代谢工程、合成生物学、工业微生物学
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
解决如何通过微生物发酵从可再生资源高效生产正丙醇和异丙醇，以替代基于石油的化学合成，并评估其作为生物燃料和丙烯前体的可行性。
研究策略
系统综述了9条天然和人工合成的丙醇生物合成途径，比较其化学计量、理论产量和实验产量；同时综述了通过代谢工程改造宿主、优化发酵条件（如气体气提在线去除产物）以及拓展廉价底物（如甘油、纤维素、合成气、CO2）来提高丙醇生产性能的策略。
核心内容
该论文系统综述了微生物发酵生产正丙醇和异丙醇的研究进展。作者梳理了九条天然或人工设计的丙醇生物合成途径，包括以丙酮为中间体的异丙醇途径以及基于苏氨酸、柠檬酸、琥珀酸和1,2-丙二醇的正丙醇途径，并从化学计量学角度比较了各途径的理论产量。在实验层面，通过代谢工程改造大肠杆菌、梭菌、酵母和蓝藻等宿主，结合气体气提在线移除产物和拓展甘油、纤维素、合成气等廉价底物，显著提升了丙醇的生产水平。其中，大肠杆菌经气体气提后异丙醇累积产量达到143 g/L，正丙醇最高产量为10.7 g/L；而柠檬酸途径和苏氨酸与柠檬酸组合途径分别实现了3.5 g/L和8 g/L的正丙醇产量，后者产率达0.45 mol/mol。理论上葡萄糖产丙醇的最大摩尔产率为1.33 mol/mol。尽管代谢工程和发酵优化显著提升了丙醇产量，当前水平仍难以与石油化学路线竞争，工业化的主要瓶颈在于开发更高产量的合成途径、提升菌株的丙醇耐受性以及实现低成本底物的高效利用。
创新点
首次系统比较了多种丙醇合成途径的理论产量；提出了通过途径组合（如苏氨酸+柠檬酸途径）和引入磷酸转酮酶来突破理论产量限制；总结了利用气体气提和耐高温菌株（如T. fusca）等工程策略。
研究对象（17）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium acetobutylicum | 丙酮依赖异丙醇途径 | adhB-593 | 伯/仲醇脱氢酶 | 催化 | 来自C. beijerinckii NRRL B593，还原丙酮为异丙醇 |
| Clostridium acetobutylicum | 丙酮依赖异丙醇途径 | ctfAB, adc | 乙酰乙酰-CoA:乙酸CoA转移酶、乙酰乙酸脱羧酶 | 催化 | 内源基因，增强丙酮生成 |
| Escherichia coli | 丙酮依赖异丙醇途径 | thl, atoAD, adhB-593 | 乙酰辅酶A乙酰转移酶、乙酰乙酰-CoA转移酶、伯/仲醇脱氢酶 | 催化 | 异源表达硫解酶和醇脱氢酶，内源atoAD |
| Candida utilis | 丙酮依赖异丙醇途径 | ACS2, ERG10 | 乙酰辅酶A合成酶、乙酰辅酶A乙酰转移酶 | 催化 | 过表达内源基因增强乙酰辅酶A供应 |
| Synechococcus elongatus | 丙酮依赖异丙醇途径 | thl, adc, adhB593, atoAD | 硫解酶、乙酰乙酸脱羧酶、醇脱氢酶、乙酰乙酰-CoA转移酶 | 催化 | 利用CO2进行光自养生产异丙醇 |
| Escherichia coli | 人工苏氨酸途径（n-丙醇） | tdcB, leuA, kivD, adh2 | 苏氨酸脱氨酶、2-异丙基苹果酸合酶、2-酮酸脱羧酶、醇脱氢酶 | 催化 | 涉及2-酮丁酸中间体，生成n-丙醇 |
| Escherichia coli | 人工柠檬酸途径（n-丙醇） | cimA, leuABCD, kivD, adh2 | 柠苹酸合酶、亮氨酸生物合成酶、2-酮酸脱羧酶、醇脱氢酶 | 催化 | cimA来自M. jannaschii并经过进化 |
| Escherichia coli | 人工琥珀酸途径（n-丙醇） | sbm, ygfD, ygfG, sucCD, adh2 | 甲基丙二酰-CoA变位酶、精氨酸激酶、甲基丙二酰-CoA脱羧酶、琥珀酰-CoA合成酶、丁醛/醇脱氢酶 | 催化 | 需要钴胺素辅因子，adh2来自C. acetobutylicum |
| Escherichia coli | 1,2-丙二醇途径（n-丙醇） | mgsA, budC, ppdABC | 甲基乙二醛合酶、仲醇脱氢酶、1,2-丙二醇脱水酶 | 催化 | 分别来自B. subtilis、K. pneumoniae、K. oxytoca |
| Escherichia coli | 1,2-丙二醇途径（n-丙醇） | fdh1 | 甲酸脱氢酶 | 能量供给 | 来自C. boidinii，通过氧化甲酸提供NADH |
| Escherichia coli | 丙酮依赖异丙醇途径（代谢调控） | gltA | 柠檬酸合酶 | 调控 | 通过遗传开关控制其转录，将乙酰-CoA流向异丙醇途径 |
| Escherichia coli | 磷酸转酮酶途径 | pkt, pta | 磷酸转酮酶、磷酸乙酰转移酶 | 催化 | 用于提高乙酰-CoA的理论产量 |
| Escherichia coli | 纤维二糖利用 | Tfu0937 | β-葡萄糖苷酶 | 区室化 | 展示于细胞表面，水解纤维二糖为葡萄糖 |
| Thermobifida fusca | 丙酰-CoA还原途径 | adh2 | 丁醛/醇脱氢酶 | 催化 | 来自C. acetobutylicum，利用木质纤维素产n-丙醇 |
| Propionibacterium freudenreichii | Wood-Werkman途径 | 未明确 | 丙醛脱氢酶、丙醇脱氢酶 | 催化 | 天然菌株在特定条件下产生n-丙醇 |
| Clostridium propionicum | 丙烯酸途径 | 未明确 | 丙酰-CoA还原酶等 | 催化 | 天然菌株从乙醇产生少量n-丙醇 |
| Alkalibaculum bacchi + Clostridium propionicum | 丙烯酸途径 | 未明确 | 未明确 | 催化 | 混合菌群利用合成气产生n-丙醇（可达6 g/L） |
关键发现
- E. coli异丙醇最高产量40 g/L（产率0.73 mol/mol），气体气提后累积产量143 g/L（产率0.67 mol/mol）
- C. utilis产27.2 g/L异丙醇（产率0.41 mol/mol）
- E. coli n-丙醇最高产量10.7 g/L（产率0.16 mol/mol，葡萄糖）和10.4 g/L（产率0.2 mol/mol，甘油）
- 柠檬酸途径产3.5 g/L n-丙醇（产率0.54 mol/mol）
- 苏氨酸+柠檬酸组合产8 g/L n-丙醇（产率0.45 mol/mol）
- 琥珀酸途径产7 g/L n-丙醇（产率0.1 mol/mol）
- 1,2-丙二醇途径双菌策略产约3 g/L n-丙醇
- T. fusca从未处理柳枝稷产0.48 g/L n-丙醇
- S. elongatus优化后产146 mg/L异丙醇。理论上葡萄糖产丙醇最大摩尔产率为1.33 mol/mol。
研究结论
尽管代谢工程和发酵优化显著提升了微生物丙醇生产的性能，但当前产量和生产效率仍不足以与化学合成竞争。工业化的主要挑战包括：开发高产量合成途径、筛选或改造高丙醇耐受性菌株，以及实现低成本底物的高效利用。