Activation of glycerol metabolism in Xanthomonas campestris by adaptive evolution to produce a high-transparency and low-viscosity xanthan gum from glycerol

作者: Zichao Wang, Jianrong Wu, Li Zhu, Xiaobei Zhan
单位: Key Laboratory of Carbohydrate Chemistry and Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University; Wuxi Galaxy Biotech Co. Ltd.
杂志: Bioresource Technology（2016）
DOI: 10.1016/j.biortech.2016.03.096
所属领域: 代谢工程
关键词: 启动底物甘油适应性进化野油菜黄单胞菌黄原胶
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解决的核心问题

解决野油菜黄单胞菌无法利用甘油生产黄原胶的问题，实现生物柴油副产物粗甘油的增值利用。

研究策略

通过适应性进化筛选获得能利用甘油的突变株X. campestris CCTCC M2015714，优化发酵条件（甘油浓度、启动底物、补料策略），并通过RT-PCR分析甘油代谢相关基因的转录水平。

研究路线图

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核心内容

该研究通过适应性进化策略，成功筛选获得一株能以甘油为唯一碳源生产黄原胶的野油菜黄单胞菌突变株CCTCC M2015714。研究者优化了发酵条件，包括甘油浓度、启动底物添加和补料策略，并借助RT-PCR分析甘油代谢相关基因的转录水平。在最优条件下，该突变株以甘油为唯一碳源时黄原胶产量达11.0 g/L，转化率27.5%，细胞生长期36 h；添加5 g/L蔗糖作为启动底物后，细胞生长期缩短至24 h，黄原胶产量提高至12.5 g/L。以40 g/L粗甘油（含80%甘油）为碳源时产量为7.9 g/L，与纯甘油对照（8.7 g/L）相近，表明突变株能耐受粗甘油中的杂质。甘油代谢相关基因glpF、glpK、glpD和fbp的转录水平分别为亲本菌株的3.36、3.05、4.76和2.53倍。所产黄原胶透明度达92.5%，表观粘度为1150 mPa·s，而商业黄原胶分别为81.7%和12000 mPa·s，分子量也显著更低。该研究为利用生物柴油副产物粗甘油生产高透明度、低粘度黄原胶提供了可行途径。

创新点

首次获得能以甘油为唯一碳源生产高透明度、低粘度黄原胶的突变株；证明该突变株能耐受粗甘油中的杂质；添加启动底物可将细胞生长期缩短12 h并提高黄原胶产量；揭示了甘油代谢相关基因上调的证据。

研究对象（4）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Xanthomonas campestris CCTCC M2015714	甘油代谢	glpF	甘油转运蛋白	转运	适应性进化后转录水平为亲本的3.36倍
Xanthomonas campestris CCTCC M2015714	甘油代谢	glpK	甘油激酶	催化	适应性进化后转录水平为亲本的3.05倍
Xanthomonas campestris CCTCC M2015714	甘油代谢	glpD	甘油-3-磷酸脱氢酶	催化	适应性进化后转录水平为亲本的4.76倍
Xanthomonas campestris CCTCC M2015714	甘油代谢/糖异生	fbp	果糖-1,6-二磷酸酶	催化	适应性进化后转录水平为亲本的2.53倍

关键发现

突变株以甘油为唯一碳源时黄原胶产量达11.0 g/L，转化率27.5%，细胞生长期36 h，发酵时间96 h
添加5 g/L蔗糖作为启动底物后细胞生长期缩短至24 h，黄原胶产量提高至12.5 g/L
以40 g/L粗甘油（含80%甘油）为碳源时黄原胶产量7.9 g/L，等量纯甘油对照为8.7 g/L
甘油代谢相关基因glpF、glpK、glpD、fbp的转录水平分别为亲本菌株的3.36、3.05、4.76和2.53倍
新黄原胶透明度为92.5%，表观粘度为1150 mPa·s，而商业黄原胶分别为81.7%和12000 mPa·s
新黄原胶分子量为3.0×10^6 Da，低于商业黄原胶的5.8×10^6 Da。

研究结论

通过适应性进化获得的X. campestris CCTCC M2015714突变株能够有效利用粗甘油生产高透明度、低粘度的新型黄原胶，为生物柴油副产物甘油的增值利用提供了可行途径。