Factors influencing cellulose activity in Consolidated Bioprocessing of cellulosic ethanol
- 作者
- Chenggang Xu, Yong Qin, Yudong Li, Yuetong Ji, Jianzhong Huang, Houhui Song, Jian Xu
- 单位
- Qingdao Institute of BioEnergy and BioProcess Technology, Chinese Academy of Sciences; Engineering Research Center of Industrial Microbiology, Fujian Normal University; Huaqiao University
- 杂志
- Bioresource Technology（2010）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2010.07.065
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
在整合生物加工（CBP）中，纤维素酶（cellulosome）的活性受到预处理和发酵过程中产生的多种化合物的影响，需要系统评估其活性条件和耐受性，以指导CBP系统设计与优化。
研究策略
实验测定分离的cellulosome与商业真菌纤维素酶在不同pH、温度、有机酸盐、有机酸、乙醇、糠醛及酚类化合物条件下的酶活，建立耐受阈值；并将优化的pH和温度条件应用于C. thermocellum JYTO1的单培养发酵，验证纤维素降解和乙醇生产性能。
研究路线图
核心内容
该研究系统评估了整合生物加工（CBP）过程中纤维素酶（cellulosome）的活性影响因素，并将其与商业真菌纤维素酶进行比较。实验测定了不同pH、温度、有机酸盐、有机酸、乙醇、糠醛及酚类化合物条件下的酶活，建立耐受阈值，并将优化条件应用于C. thermocellum JYTO1的单培养发酵。结果显示，cellulosome最适pH为6.5，最适温度为70°C；低浓度乙酸盐、甲酸盐和乳酸盐分别促进活性41%、9.2%和17%；在1 M乙酸盐和乳酸盐下分别保留71%和43.7%活性，而真菌纤维素酶完全失活。Cellulosome在3.2 M乙醇下仅降低55%活性，而真菌酶降低92%；50°C孵育6天后cellulosome活性降低35%，真菌酶在65°C以上几乎完全失活。在5 L反应器中，C. thermocellum JYTO1在18天内完全降解137 g/L纤维素，最终乙醇产量达491 mM，为当时单培养最高报道值，但纤维素到乙醇转化率仅17%。这证明cellulosome具有更好的CBP环境耐受性，优化其活性条件可显著提升菌株发酵性能，为CBP系统设计和菌株协同优化提供了依据。
创新点
首次系统评估了cellulosome对CBP环境中多种化学抑制物的耐受性；发现甲酸盐、乙酸盐和乳酸盐在低浓度下促进cellulosome活性；证明cellulosome比真菌纤维素酶具有更高的乙醇耐受性和热稳定性；通过优化条件实现C. thermocellum单培养乙醇产量491 mM（当时最高值）。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium thermocellum JYTO1 | 纤维素降解与乙醇发酵 | — | cellulosome | 催化 | 从C. thermocellum提取的多亚基纤维素酶复合体，负责纤维素降解 |
| Trichoderma reesei | 纤维素降解 | — | 真菌纤维素酶 | 催化 | 商业对照酶（LS002610），最适条件pH 5.0、50°C |
关键发现
- Cellulosome最适pH为6.5，最适温度为70°C（65°C下长期稳定性更好）
- 在pH 6.5下，50-70°C的糖释放速率从7.2×10⁻³ mg/min升至13.1×10⁻³ mg/min。25 mM甲酸盐促进活性9.2%，25 mM乙酸盐促进41%，25 mM乳酸盐促进17%
- 1 M乙酸盐和乳酸盐下cellulosome分别保留71%和43.7%活性，而真菌纤维素酶完全失活。甲酸>0.1 M、乙酸>0.2 M、乳酸>0.1 M时cellulosome活性损失80%以上。cellulosome在0.4、0.8、1.6、3.2 M乙醇下活性分别降低17%、21%、36%、55%，而真菌纤维素酶分别降低20%、40%、70%、92%。cellulosome可耐受5 mM糠醛、50 mM对羟基苯甲酸和1 mM儿茶酚。50°C孵育6天后cellulosome活性降低35%，65°C降低58%，70°C降低79%
- 真菌纤维素酶在65°C以上几乎完全失活。7天50°C纤维素转化率cellulosome为76%，真菌纤维素酶为50%。在5 L生物反应器中，C. thermocellum JYTO1在18天内完全降解137 g/L纤维素，最终乙醇浓度达491 mM，为当时C. thermocellum单培养的最高报道值
- 同时产生64 mM甲酸盐、234 mM乙酸盐和132 mM乳酸盐，纤维素到乙醇转化率仅17%。
研究结论
Cellulosome展现出优于真菌纤维素酶的CBP友好特性，包括对有机酸盐的促进响应、更高的乙醇耐受性和热稳定性；通过在优化条件下发酵，C. thermocellum JYTO1实现了491 mM乙醇产量，证明了调控cellulosome活性在CBP系统中的价值和潜力，并为cellulosome-产乙醇菌株协同优化提供了策略。