The Role of the Pyruvate Acetyl-CoA Switch in the Production of 1,3-Propanediol by Klebsiella pneumoniae
- 作者
- Jidong Zhou, Dexin Wang, Chenghong Wang, Jinjie Gu, Chul Ho Kim, Jiping Shi, Biao Jiang, Min Wang, Jian Hao
- DOI
- 10.1007/s12010-016-2278-2
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究肺炎克雷伯菌中丙酮酸乙酰辅酶A开关（丙酮酸脱氢酶复合体AcoABCD与丙酮酸甲酸裂解酶PFL）对1,3-丙二醇生产的影响，包括碳流分配、NAD+/NADH平衡及副产物形成，以寻找提高转化率或生产率的方法。
研究策略
通过同源重组分别敲除pflB、acoABCD以及ldhA基因，构建单突变和双突变株，进行5L发酵罐培养，比较野生型与突变株的1,3-丙二醇产量、转化率、生产率、副产物谱、碳平衡和胞内氧化还原比率。
核心内容
本研究以肺炎克雷伯菌CGMCC 1.6366为对象，系统考察了丙酮酸乙酰辅酶A开关中两条途径——丙酮酸甲酸裂解酶（PFL，由pflB编码）与丙酮酸脱氢酶复合体（AcoABCD）——对1,3-丙二醇发酵的调控作用。通过同源重组构建pflB、acoABCD及ldhA的单敲除和双敲除菌株，在5 L发酵罐中比较各菌株的产量、转化率、生产率和氧化还原平衡。结果显示，野生型中PFL与AcoABCD两条途径的碳分配相等。pflB-ldhA双敲除使乳酸产量从1.0 g/L降至0.9 g/L，1,3-丙二醇产量达15.5 g/L，甘油转化率提高至0.541 g/g，较野生型提升9.4%，但生产率下降至野生型的90%；acoABCD敲除则使生产率达到1.47 g/L·h，提高19%，但转化率降至0.478 g/g。双敲除株的产量可达理论最大产率的87%。研究表明，丙酮酸乙酰辅酶A开关通过调节碳流分配和NAD+/NADH平衡影响1,3-丙二醇合成，pflB-ldhA双敲除适合追求高转化率，acoABCD敲除适合追求高生产率，可根据生产目标灵活选择代谢改造策略。
创新点
首次系统研究K. pneumoniae中丙酮酸乙酰辅酶A开关（AcoABCD与PFL）在1,3-丙二醇生产中的作用，发现两种途径在野生型中碳分配相等；通过pflB-ldhA双敲除使转化率提高9.4%，通过acoABCD敲除使生产率提高19%。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Klebsiella pneumoniae CGMCC 1.6366 | 丙酮酸乙酰辅酶A转换途径 | pflB | 丙酮酸甲酸裂解酶 (PFL) | 催化 | 催化丙酮酸生成乙酰辅酶A和甲酸；敲除后导致乳酸积累 |
| Klebsiella pneumoniae CGMCC 1.6366 | 丙酮酸乙酰辅酶A转换途径 | acoABCD | 丙酮酸脱氢酶复合体 (PDHc) | 催化 | 催化丙酮酸生成乙酰辅酶A、CO2和NADH；敲除后提高1,3-丙二醇生产率 |
| Klebsiella pneumoniae CGMCC 1.6366 | 乳酸合成途径 | ldhA | 乳酸脱氢酶 (LDH) | 催化 | 催化丙酮酸生成乳酸；敲除后消除乳酸积累，提高甘油转化率 |
关键发现
野生型K. pneumoniae CGMCC 1.6366在11.5 h内消耗28.9 g/L甘油，产生14.2 g/L的1,3-丙二醇，副产物乳酸1.0 g/L、甲酸2.2 g/L、琥珀酸0.8 g/L、乙酸4.4 g/L、乙醇0.3 g/L。pflB突变株1,3-丙二醇产量为14.6 g/L，乳酸升至3.0 g/L。pflB-ldhA双突变株乳酸降至0.9 g/L，1,3-丙二醇产量达15.5 g/L，甘油转化率为0.541 g/g，比野生型高9.4%，但生产率降至1.11 g/L·h（为野生型的90%）。acoABCD突变株1,3-丙二醇生产率达1.47 g/L·h，为野生型的1.19倍（提高19%），但转化率降至0.478 g/g。野生型中PFL与AcoABCD两条途径的碳分配相等。pflB-ldhA突变株1,3-丙二醇产量为理论最大产率的87%。
研究结论
丙酮酸乙酰辅酶A开关（PFL与AcoABCD）可调节碳流和氧化还原平衡；pflB与ldhA双敲除可提高1,3-丙二醇转化率但降低生产率，acoABCD敲除可提高生产率但降低转化率，可根据生产目标选择相应策略。