高级醇 · 代谢工程文献库

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Enhancing hydrogen production of Enterobacter aerogenes by heterologous expression of hydrogenase genes originated from Synechocystis sp.

作者
Wenlu Song, Jun Cheng, Jinfang Zhao, Chuanxi Zhang, Junhu Zhou, Kefa Cen
单位
State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University; Department of Life Science and Engineering, Jining University; College of Agriculture and Biotechnology, Zhejiang University; Key Laboratory of Fermentation Engineering (Ministry of Education), College of Bioengineering, Hubei University of Technology
杂志
Bioresource Technology（2017）
DOI
10.1016/j.biortech.2016.06.044
所属领域
代谢工程
关键词
Enterobacter aerogenesHeterologous expressionHoxEFUYHHydrogen productionMetabolic analysis
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解决的核心问题

野生型产气肠杆菌（Enterobacter aerogenes）的氢气产率低，仅约 1 mol/mol 葡萄糖，难以满足高效率生物产氢需求，需要提高其产氢能力。

研究策略

将集胞藻（Synechocystis sp. PCC 6803）的氢化酶基因簇 hoxEFUYH 克隆到重组质粒 pGEX-4T-2-Cat 中，并电转化导入产气肠杆菌 ATCC13408，实现 GST 融合异源表达，增强氢化酶活性，同时抑制摄取氢化酶活性、强化 NADH 途径和甲酸途径产氢。

研究路线图

100%
野生型产气肠杆菌产氢率低
导入集胞藻 hoxEFUYH 基因簇
构建重组质粒并电转化
GST 融合表达与蛋白验证
产氢率提高 88%，活性增 152%
乙酸/丁酸增多，乙醇减少
SDS-PAGE/WB 确认 GST-HoxE
异源表达重塑 NADH 代谢平衡
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核心内容

为提升产气肠杆菌的氢气产率，研究者将集胞藻PCC 6803的氢化酶基因簇hoxEFUYH克隆至pGEX-4T-2-Cat质粒并电转化导入野生型菌株，通过GST融合标签实现异源表达。SDS-PAGE和Western blot验证了约40 kDa的GST-HoxE蛋白成功表达。重组菌株的氢化酶活性达237.6±9.3 ml/(g DW·h)，较野生型的94.2±3.7 ml/(g DW·h)提高152%，氢气产量达到298.3 ml/g葡萄糖，比对照的158.5 ml/g提高88%，峰值产氢速率也从63.6提升至124 ml/(L·h)。代谢产物分析显示，乙醇含量从0.183%降至0.102%，而乙酸和丁酸分别从0.126%和0.208%升至0.172%和0.428%，表明异源表达重塑了碳代谢流，强化了NADH依赖的产氢途径并抑制了副产物乙醇生成。该研究首次在产气肠杆菌中引入蓝藻来源的氢化酶基因簇，证实了异源表达可有效突破野生型菌株的产氢瓶颈，为后续通过代谢工程进一步优化产气肠杆菌的氢气生产效率提供了可行策略。

创新点

首次在产气肠杆菌中异源表达蓝藻来源的 hoxEFUYH 氢化酶基因簇；借助 GST 融合标签通过 SDS-PAGE 和 Western blot 验证表达；证实异源表达可重塑代谢流，增加乙酸和丁酸产量并减少乙醇。

研究对象（1）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Enterobacter aerogenes ATCC13408 氢气产生途径（甲酸途径与NADH途径） hoxEFUYH（hoxE, hoxF, hoxU, hoxY, hoxH） HoxEFUYH [NiFe]-氢化酶 催化 源自 Synechocystis sp. PCC 6803，以 GST 融合蛋白形式在产气肠杆菌中异源表达

关键发现

  1. 重组菌株氢化酶活性为
  2. 6±9.3 ml/(g DW·h)，比野生型（94.2±3.7 ml/(g DW·h)）提高 152%；氢气产量为
  3. 3 ml/g-glucose，比野生型
  4. 5 ml/g 提高 88%；峰值产氢速率由
  5. 6 ml/(L·h) 提升至 124 ml/(L·h)；代谢物中乙醇含量从
  6. 183% 降至
  7. 102%，乙酸从
  8. 126% 升至
  9. 172%，丁酸从
  10. 208% 升至
  11. 428%；GST-HoxE 融合蛋白约 40 kDa。

研究结论

异源表达 hoxEFUYH 可有效提高产气肠杆菌的产氢能力，使氢化酶活性和氢气产量显著增加，同时改变代谢产物分布（乙酸/丁酸增多、乙醇减少），这与 NADH 平衡有关。后续需通过代谢工程进一步提升产气肠杆菌的氢气产率以实现规模化产氢。