Optimization of renewable pinene production from the conversion of macroalgae Saccharina latissima
- 作者
- Chessa Scullin, Vitalie Stavila, Anita Skarstad, Jay D. Keasling, Blake A. Simmons, Seema Singh
- 单位
- Joint BioEnergy Institute, Emeryville, CA, USA; Sandia National Laboratories, Livermore, CA, USA; Statoil Research Center Trondheim, Trondheim, Norway; Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Department of Bioengineering, University of California, Berkeley, CA 94720, USA; Physical Biosciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA
- 杂志
- Bioresource Technology（2014）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2014.09.105
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
从大型海藻Saccharina latissima的酶解过程中优化可发酵糖的释放，并验证所得水解液无需额外处理即可用作新型大肠杆菌体系生产可再生蒎烯的碳源
研究策略
比较单独海带多糖酶与不同纤维素酶/半纤维素酶组合（CTec2、HTec2）的酶解效率，分析季节性组分差异，并利用双质粒大肠杆菌MG1655系统（含甲羟戊酸通路和萜烯合酶融合蛋白）将最优水解液发酵生产蒎烯
核心内容
本研究以大型海藻Saccharina latissima为原料，系统比较了单独海带多糖酶及与商业纤维素酶（CTec2）、半纤维素酶（HTec2）不同组合的酶解效率，并利用携带甲羟戊酸通路和蒎烯合酶-香叶基焦磷酸合酶融合蛋白的双质粒大肠杆菌MG1655系统，将最优水解液直接用于可再生蒎烯发酵生产。结果显示，CTec2比单独海带多糖酶多释放42%的葡萄糖，CTec2与HTec2联用可使葡萄糖释放增加65%；但生物质负载从2%升至8%（w/v）时，糖产量从10.3%降至3.0%（克葡萄糖/克生物质/升）。在0.6%（w/v）葡萄糖负荷下，海藻水解液（CTec2+HTec2酶解）产蒎烯约21 mg/L，与葡萄糖对照（18 mg/L）相当；而将葡萄糖负荷提高至1.2%时，蒎烯产量骤降至1%负荷时的8%。研究证实大型海藻水解液无需额外处理即可作为大肠杆菌生产蒎烯的有效碳源，但高盐和藻酸盐浓度对高固体负载糖化及发酵的抑制仍是提升工业相关浓度的重要瓶颈。
创新点
首次利用新型双质粒大肠杆菌系统从大型海藻水解液生产蒎烯；发现商业纤维素酶混合物（CTec2）可显著提高海带多糖的葡萄糖释放；揭示了高盐和藻酸盐浓度对糖化及发酵的抑制机制
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli MG1655 | 甲羟戊酸通路（mevalonate pathway） | 甲羟戊酸通路基因（pJBEI-3085，从乙酰乙酰辅酶A转移酶到异戊烯基二磷酸异构酶） | — | 催化 | 用于提供异戊烯基二磷酸（IPP）和二甲基烯丙基二磷酸（DMAPP）前体 |
| Escherichia coli MG1655 | 蒎烯生物合成通路 | pinene synthase (Abies grandis); geranyl diphosphate synthase (Abies grandis) | Abies grandis pinene synthase 与 A. grandis geranyl diphosphate synthase 的融合蛋白（(Gly-Ser-Gly)2 linker） | 催化 | 携带于pJBEI-3933质粒，催化GPP生成蒎烯 |
| — | 海藻糖酶解 | — | laminarinase（内切-1,3(4)-β-葡聚糖酶） | 催化 | 来自Sigma（L5272），用于水解海带多糖（laminarin） |
| — | 海藻糖酶解 | — | cellulase（Cellic® CTec2，Novozymes） | 催化 | 商业纤维素酶混合物，水解β-1,4-葡聚糖键 |
| — | 海藻糖酶解 | — | hemicellulase（Cellic® HTec2，Novozymes） | 催化 | 商业半纤维素酶混合物，与CTec2联合使用提高葡萄糖释放 |
关键发现
- 纤维素酶混合物CTec2比单独海带多糖酶多释放40%葡萄糖（正文数据为42%）
- CTec2+HTec2组合使葡萄糖释放增加65%，CTec2+海带多糖酶增加53%，HTeC2单独增加5%
- 生物质负载从2%升至8%（w/v）时，糖产量从10.3%降至3.0%（克葡萄糖/克生物质/升）
- 洗涤样品在1%葡聚糖负载时糖回收率比未洗涤样品降低50%，高于1%时几乎无法检测
- 在0.6%（w/v）葡萄糖负荷下，海藻水解液（CTec2+HTec2）生产蒎烯约21 mg/L，与葡萄糖对照18 mg/L相当
- 将水解液葡萄糖负荷提高至1.2%（w/v）时，蒎烯产量降至1%负荷时的8%
研究结论
大型海藻S. latissima是生产可发酵糖和先进生化品的潜在生物质来源；CTec2和HTec2组合可获得最大葡萄糖释放；海藻水解液与葡萄糖对照一样适合大肠杆菌生产蒎烯；由于藻酸盐和盐浓度增加带来的抑制，提高固体负载至工业相关浓度仍面临挑战