Efficient production of succinic acid from macroalgae hydrolysate by metabolically engineered Escherichia coli
- 作者
- Bing Bai, Jie-min Zhou, Mao-hua Yang, Yi-lan Liu, Xiao-hui Xu, Jian-min Xing
- 单位
- 中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京100190；中国科学院大学，北京100049
- 杂志
- Bioresource Technology（2015）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2015.02.081
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
利用代谢工程改造的大肠杆菌以大型海藻（Laminaria japonica）水解液为原料高效生产琥珀酸，解决琥珀酸生物制造中原料成本高和与粮争地的问题，同时开发第三代生物质资源。
研究策略
通过敲除ldhA和pflB构建工程菌株E. coli BS002，阻断乳酸和甲酸等副产物途径，采用双相发酵策略（先好氧生长菌体，再厌氧发酵产酸），以海藻水解液中的葡萄糖和甘露醇为混合碳源发酵生产琥珀酸。
核心内容
本研究利用敲除ldhA和pflB的代谢工程大肠杆菌BS002菌株，以大型海藻（Laminaria japonica）水解液为原料生产琥珀酸，旨在降低原料成本并避免与粮争地。采用先好氧生长菌体、再厌氧发酵产酸的双相发酵策略，以水解液中的葡萄糖和甘露醇为混合碳源。结果显示，BS002在甘露醇上的琥珀酸摩尔产率达1.39 mol/mol，显著高于葡萄糖的1.01 mol/mol。经72小时发酵，以海藻水解液为底物获得琥珀酸17.44 g/L，总糖摩尔产率1.24 mol/mol，达到理论最大值的73%；模拟糖混合物发酵产琥珀酸17.32 g/L，产率1.26 mol/mol。纯甘露醇发酵产琥珀酸14.32 g/L，高于纯葡萄糖的9.86 g/L，且几乎无副产物积累（仅0.13 g/L乙酸）。该研究首次证明大型海藻可作为琥珀酸生产的经济替代原料，甘露醇因提供更多还原力而显著提升产率，表明海藻生物质在还原性化学品生物制造中具有广阔应用潜力。
创新点
['首次报道利用大型海藻生物质生产琥珀酸', '发现甘露醇相比葡萄糖具有更高的琥珀酸摩尔产率（1.39 vs 1.01 mol/mol）', '实现了海藻水解液的高效利用，琥珀酸浓度达到17.44 g/L，产率达到理论最大值的73%']
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli BS002 (W3110ΔldhAΔpflB) | 厌氧混合酸发酵/琥珀酸合成途径 | ldhA | 乳酸脱氢酶 | 调控 | 敲除ldhA消除乳酸副产物，迫使碳流向琥珀酸合成 |
| Escherichia coli BS002 | 厌氧混合酸发酵/琥珀酸合成途径 | pflB | 丙酮酸甲酸裂解酶 | 调控 | 敲除pflB消除甲酸和乙酰-CoA副产物，减少乙酸生成 |
| Escherichia coli BS002 | 甘露醇代谢 | mtlD | 甘露醇-1-磷酸脱氢酶 | 催化 | 内源酶，催化甘露醇-1-磷酸氧化为果糖-6-磷酸，同时产生额外NADH，有利于琥珀酸还原合成 |
| Escherichia coli BS002 | 甘露醇转运 | ptsM | 甘露醇特异性PTS通透酶 | 转运 | 内源PTS系统，负责甘露醇的跨膜运输，使甘露醇进入胞内代谢 |
关键发现
- E. coli BS002在甘露醇上的琥珀酸摩尔产率为1.39±0.01 mol/mol，葡萄糖上为1.01±0.05 mol/mol
- 海藻水解液含葡萄糖10.31±0.32 g/L和甘露醇10.12±0.17 g/L
- 经72 h双相发酵，获得琥珀酸17.44±0.54 g/L，总糖摩尔产率1.24±0.08 mol/mol，达理论最大产率的73%
- 模拟糖混合物发酵最终琥珀酸17.32±0.22 g/L，产率1.26±0.03 mol/mol
- 纯葡萄糖发酵产琥珀酸9.86±0.48 g/L，纯甘露醇发酵产14.32±0.09 g/L
- BS002在甘露醇上几乎无副产物（仅0.13±0.02 g/L乙酸）。
研究结论
本研究证明大型海藻生物质可作为琥珀酸生产的新型经济替代原料，海藻水解液中的甘露醇由于提供更多还原力而显著提高琥珀酸产率，大型海藻在生物化学品尤其是还原性化学品生产方面具有巨大潜力。