Intracellular metabolic changes of Clostridium acetobutylicum and promotion to butanol tolerance during biobutanol fermentation
- 作者
- Yan-Feng Wang, Juan Tian, Zhi-Hua Ji, Mao-Yong Song, Hao Li
- 单位
- Beijing Key Laboratory of Bioprocess, College of Life Science and Technology, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China; Institute of Environment and Health, Jianghan University, Wuhan 430056, China
- 杂志
- The International Journal of Biochemistry & Cell Biology（2016）
- DOI
- 10.1016/j.biocel.2016.07.031
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
解析丙酮丁醇梭菌在丁醇胁迫下的胞内代谢变化及其丁醇耐受机制。
研究策略
采用GC-MS代谢组学结合多变量分析（PLS-DA、HCA），比较不同浓度丁醇（0.5%-2.5% v/v）处理与对照菌株在酸生成期（8 h）和溶剂生成期（24 h）的胞内代谢物谱差异。
核心内容
本研究利用GC-MS代谢组学结合多变量分析，系统考察了丙酮丁醇梭菌ATCC 824在不同浓度丁醇（0.5%–2.5% v/v）胁迫下酸生成期（8 h）和溶剂生成期（24 h）的胞内代谢物谱变化。结果显示丁醇胁迫呈剂量依赖性抑制菌株生长，2.5%丁醇处理8 h时生物量降低95.1%。PLS-DA鉴定出27个VIP>1的差异代谢物，其中D-葡萄糖相对丰度由0.8938升至65.2951，柠檬酸由0.0713升至3.2056，十六烷酸和十八烷酸分别升至0.4985和0.6890，同时缬氨酸、亮氨酸等支链氨基酸及多种保护性氨基酸显著积累，甘油在2.0%丁醇处理24 h时升至37.3572。代谢重编程表现为糖酵解被抑制而TCA循环增强，脂肪酸向长链饱和方向转变，氨基酸和甘油积累参与渗透调节与氧化还原平衡。这些协同变化有助于维持膜完整性和细胞活力，从而增强丁醇耐受性，为构建高丁醇耐受工业菌株提供了代谢层面的理论依据。
创新点
系统揭示了丁醇胁迫下C. acetobutylicum的代谢重编程，包括糖酵解抑制、TCA循环增强、饱和长链脂肪酸和多种氨基酸积累，并提出了这些变化协同赋予丁醇耐受性的新见解。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium acetobutylicum ATCC 824 | 糖酵解 | pfkA | 6-磷酸果糖激酶 | 催化 | 丁醇胁迫下该基因表达下调（来自文献） |
| Clostridium acetobutylicum ATCC 824 | 糖酵解 | pgi | 葡萄糖6-磷酸异构酶 | 催化 | 丁醇胁迫下该基因表达下调（来自文献） |
| Clostridium acetobutylicum ATCC 824 | 糖酵解 | pykA | 丙酮酸激酶 | 催化 | 丁醇胁迫下该基因表达下调（来自文献） |
| Clostridium acetobutylicum ATCC 824 | 糖酵解 | glcK | 葡萄糖激酶 | 催化 | 丁醇胁迫下该基因表达下调（来自文献） |
| Clostridium acetobutylicum ATCC 824 | 糖酵解 | pgm | 磷酸甘油酸变位酶 | 催化 | 丁醇胁迫下该基因表达下调（来自文献） |
| Clostridium acetobutylicum ATCC 824 | 糖酵解 | eno | 烯醇化酶 | 催化 | 丁醇胁迫下该基因表达下调（来自文献） |
| Clostridium acetobutylicum ATCC 824 | 甘油代谢 | glpF | 甘油摄取促进因子 | 转运 | 丁醇胁迫下该基因表达上调（来自文献） |
| Clostridium acetobutylicum ATCC 824 | 甘油代谢 | glpA | 甘油-3-磷酸脱氢酶 | 催化 | 丁醇胁迫下该基因表达上调（来自文献） |
| Clostridium acetobutylicum ATCC 824 | 孢子形成/溶剂生成调控 | spo0A | Spo0A转录调控因子 | 调控 | 过表达Spo0A可提高丁醇耐受性（来自文献） |
关键发现
- 丁醇胁迫呈剂量依赖性抑制C. acetobutylicum ATCC 824生长，8 h时0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5% v/v丁醇使生物量分别降低22.6%、23.4%、56.2%、93.1%、95.1%，24 h时分别降低18.6%、20.2%、69.7%、80.8%、97.9%。利用PLS-DA鉴别出27个VIP>1的差异代谢物。在2.5%丁醇处理8 h时，D-葡萄糖相对丰度由0.8938升至65.2951，柠檬酸由0.0713升至3.2056，十六烷酸由0.0150升至0.4985，十八烷酸由0.0169升至0.6890，缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等支链氨基酸以及苏氨酸、甘氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、天冬氨酸、谷氨酸均显著升高
- 甘油在2.0%丁醇处理24 h时达37.3572（对照为0.7075）。结果表明丁醇胁迫抑制糖酵解、促进TCA循环，改变脂肪酸组成与氨基酸代谢，通过调节膜流动性和渗透压维持细胞完整性，从而增强丁醇耐受性。
研究结论
丁醇胁迫以剂量依赖方式抑制C. acetobutylicum生长；胞内代谢组学显示糖酵解被抑制而TCA循环增强，脂肪酸组成向长链饱和方向改变，支链氨基酸及其他保护性氨基酸显著积累，甘油水平上升参与渗透调节和氧化还原平衡。这些代谢重塑有助于维持膜完整性和细胞活力，从而提高丁醇耐受性，为构建高丁醇耐受工业菌株提供了理论基础。