Production of (R)-3-hydroxybutyric acid by fermentation and bioconversion processes with Azohydromonas lata
- 作者
- Charles U. Ugwu, Yutaka Tokiwa, Toshio Ichiba
- 单位
- Okinawa Industrial Technology Center, Suzaki 12-2, Uruma, Okinawa 904-2234, Japan
- 杂志
- Bioresource Technology（2011）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2011.03.073
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
利用Azohydromonas lata及其UV突变体高效生产(R)-3-羟基丁酸单体，以满足手性药物和精细化学品合成的需求。
研究策略
通过UV诱变筛选高产突变株，结合发酵和静息细胞生物转化两步法，提高(R)-3-羟基丁酸的产量。
核心内容
本研究以产PHB的Azohydromonas lata JCM 20724为出发菌株，通过UV诱变筛选获得突变株M5，结合发酵与静息细胞生物转化两步策略，实现了(R)-3-羟基丁酸（(R)-3-HB）的高效生产。以蔗糖为碳源时，M5的(R)-3-HB产量达780 mg/L，较野生型提高2.7倍。在静息细胞转化中，分别以葡萄糖、乙酰乙酸乙酯和(R,S)-1,3-丁二醇为底物，40小时反应后(R)-3-HB浓度分别达到6.5 g/L、7.3 g/L和8.7 g/L，其中以(R,S)-1,3-丁二醇效果最佳。两阶段发酵中，添加3% (R,S)-1,3-丁二醇后，M5以葡萄糖和蔗糖为碳源的(R)-3-HB浓度分别达0.998 g/L和1.14 g/L，远高于野生型的0.3 g/L和0.42 g/L。值得注意的是，M5与野生型的PHB含量分别为40%和42%，说明UV突变并未破坏PHB代谢途径。该研究证明M5可同时积累PHB和(R)-3-HB，采用先富集细胞再进行静息细胞转化的两阶段工艺可高效生产(R)-3-HB，为手性化合物制备提供了可行路线，且该工艺有望在放大和补料分批条件下进一步提升产量。
创新点
获得一株UV突变体M5，其(R)-3-HB产量较野生型显著提高；利用廉价底物（(R,S)-1,3-丁二醇、乙酰乙酸乙酯、葡萄糖）进行静息细胞生物转化，实现高浓度(R)-3-HB的积累。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Azohydromonas lata JCM 20724 | PHB合成与降解 | — | — | 催化 | 野生型菌株，可产生(R)-3-HB，PHB含量约42% |
| Azohydromonas lata M5 mutant | PHB合成与降解 | — | — | 催化 | UV突变体，高产(R)-3-HB，以蔗糖为碳源时产量780 mg/L，PHB含量约40%，具有较宽的底物特异性 |
关键发现
M5突变体以蔗糖为碳源时，(R)-3-HB产量达780 mg/L，较野生型高2.7倍（以蔗糖3% w/v和(R,S)-1,3-丁二醇3% v/v为底物时）。静息细胞生物转化中，以葡萄糖(1% w/v)、乙酰乙酸乙酯(2% v/v)和(R,S)-1,3-丁二醇(3% v/v)为底物，40 h反应后(R)-3-HB浓度分别达6.5 g/L、7.3 g/L和8.7 g/L。两阶段发酵中，添加3% (R,S)-1,3-丁二醇后，M5以葡萄糖和蔗糖为碳源时(R)-3-HB浓度分别为0.998 g/L和1.14 g/L，而野生型仅为0.3 g/L和0.42 g/L。M5和野生型菌株的PHB含量分别为40%和42%，表明UV突变未抑制PHB代谢途径。
研究结论
UV突变未抑制A. lata的PHB代谢，M5突变体可同时产生PHB和(R)-3-HB。采用两阶段策略（先积累细胞，再用静息细胞进行生物转化）可实现(R)-3-HB的高效生产，其中以(R,S)-1,3-丁二醇为底物的生物转化产量最高（8.7 g/L），该工艺有望在放大和补料分批条件下进一步提高产量。