Enhanced butanol production from cassava with Clostridium acetobutylicum by genome shuffling
- 作者
- Shu-Bo Li, Yi Qian, Zheng-Wu Liang, Yuan Guo, Mou-Ming Zhao, Zong-Wen Pang
- 杂志
- World Journal of Microbiology and Biotechnology（2016）
- DOI
- 10.1007/s11274-016-2022-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
木薯为底物时丁醇产量低、菌株丁醇耐受性差，导致ABE发酵经济性不佳
研究策略
采用NTG诱变结合基因组改组（genome shuffling），以丁醇为选择压力，通过多轮原生质体融合，将丁醇生产菌株C. acetobutylicum GX01与丁醇耐受菌株L. mucosae M26的遗传性状组合，定向筛选高产丁醇且耐受性强的菌株
核心内容
本研究以木薯为底物，针对丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵中丁醇产量低且菌株耐受性差的问题，对产丁醇菌株Clostridium acetobutylicum GX01进行了改良。作者将NTG化学诱变与基因组改组相结合，以丁醇为选择压力，经多轮原生质体融合，将丁醇耐受菌株Lactobacillus mucosae M26的遗传性状引入生产菌株，定向筛选出兼具高产与高耐受性的重组菌株GS4-3。在10 L生物反应器中，该菌株以木薯为底物时总溶剂产量达32.6 g/L，丁醇产量20.1 g/L，丁醇生产力和得率分别为0.35 g/L/h和0.23 g/g，较野生型GX01分别提高23.3%、40.0%和27.8%；其分泌的淀粉酶活性最高达34.3 U/mL，为亲本的1.4倍。GS4-3在39℃及pH 5.0–6.0酸性条件下生长优于亲本，且连续传代10代遗传稳定性良好。结果表明，基因组改组结合诱变有效整合了耐受性与生产性能，显著提升了木薯ABE发酵的经济性，为该菌株的工业化应用奠定了基础。
创新点
首次将NTG诱变与基因组改组相结合用于改良C. acetobutylicum的木薯ABE发酵；利用L. mucosae M26作为耐受性供体参与原生质体融合；获得性能显著提升的菌株GS4-3，并优化了以木薯为底物的发酵条件
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium acetobutylicum GX01 | ABE发酵途径 | — | — | 催化 | 亲本丁醇生产菌株，初始丁醇产量14.0 g/L |
| Lactobacillus mucosae M26 | — | — | — | 调控 | 丁醇耐受菌株，可耐受25 g/L丁醇，作为基因组改组的融合亲本提供耐受性状 |
| Clostridium acetobutylicum GS4-3 | ABE发酵途径 | — | — | 催化 | 经四轮基因组改组获得的高产丁醇菌株，丁醇产量18.1 g/L（摇瓶），10 L发酵罐中20.1 g/L |
| Clostridium acetobutylicum | 淀粉分解 | — | α-淀粉酶（amylase） | 催化 | GS4-3分泌的淀粉酶活性最高34.3 U/mL，比亲本提高1.4倍，减少外加α-淀粉酶用量 |
关键发现
- 经四轮基因组改组，菌株GS4-3在10 L生物反应器中总溶剂产量32.6 g/L、丁醇产量20.1 g/L、丁醇生产力0.35 g/L/h，分别比野生型GX01提高23.5%、23.3%和40.0%
- 丁醇得率0.23 g/g，提高27.8%
- GS4-3分泌的淀粉酶活性最高达34.3 U/mL，比亲本提高1.4倍
- 在最适温度39℃时最大相对生长率104.8%，在pH 5.0-6.0酸性条件下生长优于亲本
- 碳源试验中木薯淀粉丁醇产量18.8 g/L，玉米粉17.8 g/L
- 氮源筛选中CH3COONH4最佳（丁醇18.5 g/L），最适浓度3 g/L时丁醇18.4 g/L
- 菌株遗传稳定性好，连续传代10代丁醇产量稳定
研究结论
基因组改组结合NTG诱变获得的C. acetobutylicum GS4-3显著提高了丁醇产量、溶剂耐受性和环境适应能力，且能高效利用木薯淀粉，具备工业化ABE发酵的应用潜力