Combining metabolic engineering and adaptive evolution to enhance the production of dihydroxyacetone from glycerol by Gluconobacter oxydans in a low-cost way
- 作者
- Leifang Lu, Liujing Wei, Kun Zhu, Dongzhi Wei, Qiang Hua
- 单位
- State Key Laboratory of Bioreactor Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2012.03.013
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
G. oxydans在葡萄糖碳源上生长不良，且高浓度甘油下DHA产量受抑制，需要低成本高效生产DHA的方法
研究策略
结合代谢工程（敲除adh、过表达sldAB）和适应性进化（以葡萄糖为唯一碳源连续传代），获得可高效利用葡萄糖并将甘油转化为DHA的突变株
核心内容
该研究以氧化葡萄糖酸杆菌为对象，旨在以低成本方式提高甘油转化为二羟基丙酮（DHA）的效率。作者结合代谢工程与适应性进化策略，敲除adh基因并过表达sldAB，随后以葡萄糖为唯一碳源进行连续传代，获得能高效利用葡萄糖的突变株GAN。结果显示，适应性进化使最大比生长速率从0.15 h⁻¹提升至0.28 h⁻¹，葡萄糖上的生物量产率比山梨醇高约10倍。葡萄糖培养还显著诱导sldAB表达（约为山梨醇培养的10倍），使细胞对甘油的Km降至0.9 g/L，Vmax提高15%，整体催化活性提升30–40%。在40 g/L甘油条件下，GAN菌株的DHA产率达99.2%，最大催化速率4.7 g/gCDW/h，比山梨醇培养的原始菌株提高86%；100 g/L甘油时DHA产量达88.1 g/L。该工作证明廉价葡萄糖不仅能降低生产成本，还能同时增强菌株生长与催化性能，为DHA工业化生产提供了可行策略。
创新点
首次系统构建葡萄糖代谢改造的G. oxydans菌株；发现葡萄糖培养显著诱导sldAB表达并提高催化活性；使用廉价葡萄糖替代山梨醇降低成本
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Gluconobacter oxydans GDHE | 甘油生物转化生产DHA | sldAB | mSLDH | 催化 | 编码膜结合山梨醇脱氢酶，过表达以增强DHA合成 |
| Gluconobacter oxydans GDHE Δadh | 甘油生物转化生产DHA | adh | ADH | 催化 | 膜结合醇脱氢酶，敲除以减少甘油酸副产物积累 |
| Gluconobacter oxydans 621H | 葡萄糖氧化 | mgdh | mGDH | 催化 | 膜结合葡萄糖脱氢酶，缺失突变以改善葡萄糖生长 |
| Gluconobacter oxydans GAT | 葡萄糖代谢及DHA生产 | sldAB | mSLDH | 催化 | 在葡萄糖培养基中适应性进化，sldAB表达显著提高 |
| Gluconobacter oxydans GAN | 葡萄糖代谢及DHA生产 | sldAB | mSLDH | 催化 | 在葡萄糖培养基中适应性进化，DHA产率达99.2% |
关键发现
- 适应性进化后最大比生长速率从0.15/0.14 h⁻¹提高到0.28/0.29 h⁻¹
- 葡萄糖上生物量产率比山梨醇上高10倍（0.14-0.17 vs 0.011-0.014 gDCW/g）
- 葡萄糖培养的细胞对甘油Km降至0.9 g/L，Vmax提高15%，整体催化活性提高30-40%
- 在40 g/L甘油下，葡萄糖培养的GAN菌株DHA产率99.2%（最大催化速率4.7 g/gCDW/h），比山梨醇培养的GDHE提高了86%
- 100 g/L甘油时DHA产量达88.1 g/L
- 葡萄糖培养的sldAB表达水平比山梨醇培养高约10倍。
研究结论
通过使用葡萄糖作为唯一碳源，不仅降低了生产成本，还显著增强了G. oxydans催化甘油转化为DHA的能力，为工业化生产DHA提供了有效策略。