Mechanisms of enhanced cellulosic bioethanol fermentation by co-cultivation of Clostridium and Thermoanaerobacter spp.
- 作者
- Qiang He, Christopher L. Hemme, Helong Jiang, Zhili He, Jizhong Zhou
- 单位
- Department of Civil and Environmental Engineering, The University of Tennessee, Knoxville, TN 37996, USA; Institute for Environmental Genomics, Department of Botany and Microbiology, University of Oklahoma, Norman, OK 73019, USA; State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing, China
- 杂志
- Bioresource Technology（2011）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2011.07.098
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
纤维素乙醇发酵中，不同热厌氧杆菌菌株与解纤维素梭菌共培养时提升乙醇产量的能力差异显著，其关键代谢特征尚不清楚。
研究策略
通过比较两种Thermoanaerobacter菌株（X514和39E）与Clostridium thermocellum共培养的发酵性能，结合全基因组比较分析和外源维生素B12添加实验，解析影响乙醇发酵效率的关键代谢通路。
核心内容
该研究通过比较两株热厌氧杆菌（X514和39E）分别与解纤维素梭菌共培养时的纤维素乙醇发酵性能，结合全基因组比较及外源维生素B12添加实验，揭示了影响共培养乙醇效率的关键代谢因素。实验表明，共培养可将乙醇产量提高194%至440%，其中X514共培养产量比39E共培养至少高62%；在无维生素B12培养基中，39E共培养产量仅为X514共培养的32%，而添加30 μg/L维生素B12后39E共培养产量接近X514水平。基因组分析发现，X514含有完整的维生素B12从头合成操纵子，而39E缺失厌氧corrin环生物合成基因。维生素B12从头合成能力的完整性直接决定共培养乙醇发酵效率，可作为筛选高效乙醇生产菌株及优化营养供给的生物标志物，为木质纤维素乙醇的菌株选育提供了分子靶点。
创新点
首次揭示维生素B12从头合成通路的完整性与Thermoanaerobacter菌株在共培养中乙醇发酵效率的直接关联，并提出该通路可作为筛选高效乙醇生产菌株的生物标志物。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium thermocellum (ATCC 35609) | 纤维素降解与乙醇发酵 | — | — | 催化 | 纤维素分解菌，负责降解纤维素产生可溶性糖，但乙醇发酵效率低 |
| Thermoanaerobacter sp. strain X514 | 糖酵解与乙醇发酵 | — | — | 催化 | 非纤维素分解菌，具有完整的维生素B12从头合成通路，乙醇发酵效率高 |
| Thermoanaerobacter pseudethanolicus strain 39E | 糖酵解与乙醇发酵 | cbiCDET, cbiFGHJ-hemA | — | 催化 | 非纤维素分解菌，缺乏维生素B12厌氧合成通路中的corrin环合成基因，需外源维生素B12 |
| Thermoanaerobacter sp. strain X514 | 维生素B12生物合成 | 维生素B12生物合成操纵子（包含tetrapyrole、corrin环及最终合成基因） | — | 调控 | 完整编码维生素B12从头合成途径，不依赖外源维生素B12 |
| Thermoanaerobacter pseudethanolicus strain 39E | 维生素B12生物合成 | cbiCDET, cbiFGHJ-hemA | — | 催化 | 缺少厌氧corrin环生物合成基因，导致维生素B12从头合成不完整 |
关键发现
- 共培养显著提高乙醇产量194%-440%
- X514共培养乙醇产量比39E共培养至少高62%
- 添加外源维生素B12使39E共培养乙醇产量提高203%
- CT单培养乙醇产量<13 mM，CT-X514共培养>60 mM，CT-39E共培养<37 mM
- 补充0.6%酵母提取物后CT-X514和CT-39E共培养乙醇产量分别提高78%和206%
- 在无维生素B12培养基中，CT-39E共培养乙醇产量仅为CT-X514共培养的32%
- 添加30 μg/L维生素B12后CT-39E共培养乙醇产量接近CT-X514水平
- CT单培养纤维素利用率仅64±4%，共培养>90%
- X514基因组含有完整的维生素B12生物合成操纵子，39E缺失厌氧corrin环生物合成基因(cbiCDET和cbiFGHJ-hemA)。
研究结论
维生素B12从头生物合成能力是决定Thermoanaerobacter菌株与C. thermocellum共培养时乙醇发酵效率的关键因素，可作为筛选高效菌株和优化营养供给的生物标志物。