Acetoin production enhanced by manipulating carbon flux in a newly isolated Bacillus amyloliquefaciens
- 作者
- Yanjie Zhang, Shubo Li, Liming Liu, Jing Wu
- 单位
- School of Pharmaceutical and Medical, Jiangnan University; State Key Laboratory of Food Science and Technology, Jiangnan University; Key Laboratory of Industrial Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University
- 杂志
- Bioresource Technology（2012）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2012.10.036
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
提高乙偶姻产量，通过操纵碳流分布减少2,3-丁二醇积累，解决乙偶姻发酵产量和转化效率低的问题。
研究策略
从土壤中分离筛选高产乙偶姻的新菌株，优化营养条件（碳源、氮源、碳氮比），并基于2,3-丁二醇与乙偶姻可逆转化机制，提出两阶段搅拌速度控制策略，在发酵前期低转速积累2,3-丁二醇，后期高转速促使其反向转化为乙偶姻。
核心内容
该研究从土壤中分离获得一株新的解淀粉芽孢杆菌FMME044，旨在通过操纵碳流分布提高乙偶姻产量并减少副产物2,3-丁二醇的积累。研究首先优化了营养条件，确定了以100–120 g/L葡萄糖为碳源、10 g/L蛋白胨和10 g/L酵母浸粉为混合氮源、碳氮比24:1的最适配方，较单一氮源使乙偶姻产量提高19.8%–33.3%。基于乙偶姻与2,3-丁二醇在葡萄糖耗尽后存在可逆转化的机制，研究进一步在7-L发酵罐中提出两阶段搅拌速度控制策略：前期低转速（350 rpm）促进细胞生长和2,3-丁二醇积累，后期高转速（500 rpm）驱动其反向转化为乙偶姻。最终乙偶姻产量达51.2 g/L，得率0.43 g/g，生产强度1.42 g/(L·h)，较恒定350 rpm分别提高13.2%和49.5%，同时残留2,3-丁二醇降至3.2 g/L。结果表明，通过搅拌转速调控碳流方向可有效强化乙偶姻生产，该菌株具备工业发酵应用潜力。
创新点
新分离获得一株高产乙偶姻的Bacillus amyloliquefaciens FMME044；解释了2,3-丁二醇与乙偶姻在葡萄糖耗尽后发生反向转化的机制；提出两阶段搅拌速度控制策略以操纵碳流定向流向乙偶姻。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Bacillus amyloliquefaciens FMME044 | 乙偶姻生物合成（丙酮酸→乙偶姻→2,3-丁二醇） | alssD | 乙酰乳酸合酶/乙酰乳酸脱羧酶 | 催化 | alssD操纵子编码乙酰乳酸合酶和脱羧酶，催化丙酮酸转化为乙偶姻，低溶氧条件下上调。 |
| Bacillus amyloliquefaciens FMME044 | 乙偶姻生物合成（丙酮酸→乙偶姻→2,3-丁二醇） | — | 2,3-丁二醇脱氢酶 | 催化 | 催化2,3-丁二醇与乙偶姻的可逆转化，高溶氧时活性增强，促进2,3-丁二醇反向生成乙偶姻。 |
关键发现
- 新菌株FMME044在VP试验中最高产乙偶姻23.8±0.5 g/L
- 以100 g/L葡萄糖为碳源时乙偶姻达35.9 g/L
- 葡萄糖浓度120 g/L时乙偶姻40.2 g/L
- 混合氮源（10 g/L蛋白胨+10 g/L酵母浸粉）使细胞生长和乙偶姻产量分别达14.6 g/L和46.0 g/L，比单一氮源分别提高13.0%、14.4%和33.3%、19.8%
- 最适碳氮比24:1
- 7-L发酵罐中乙偶姻最高达50.1 g/L，2,3-丁二醇在16 h达30.7 g/L后降至5.9 g/L
- 300 rpm时2,3-丁二醇最高58.1 g/L
- 400 rpm时乙偶姻50.1 g/L，500 rpm时残2,3-丁二醇3.2 g/L（比400 rpm的5.9 g/L低45.8%）
- 采用两阶段搅拌（前24 h 350 rpm，后切换至500 rpm）后，乙偶姻产量达51.2 g/L，得率0.43 g/g，生产强度1.42 g/(L·h)，比单用350 rpm分别提高13.2%和49.5%。
研究结论
通过两阶段搅拌速度控制策略有效操纵碳流从2,3-丁二醇反向转化为乙偶姻，显著提高了乙偶姻的产量、得率和生产强度，表明B. amyloliquefaciens FMME044是乙偶姻工业发酵的潜在优良菌株。