Biosynthesis of 1,3-propanediol from recombinant E. coli by optimization process using pure and crude glycerol as a sole carbon source under two-phase fermentation system
- 作者
- Rosarin Rujananon, Poonsuk Prasertsan, Amornrat Phongdara
- 杂志
- World Journal of Microbiology and Biotechnology（2013）
- DOI
- 10.1007/s11274-013-1556-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
优化重组大肠杆菌BP41Y3生产1,3-丙二醇的环境和营养条件，并评估两相发酵系统中pH控制对以粗甘油为唯一碳源时1,3-丙二醇生产的影响。
研究策略
先采用传统单因素方法优化环境条件（初始pH、温度、摇瓶和搅拌速度），再用响应面法（RSM）优化营养条件（富马酸盐、磷酸氢二铵、蛋白胨），最后在3L搅拌罐两相发酵系统中以粗甘油为底物考察不同pH控制策略对1,3-PD生产的影响。
核心内容
该研究以重组大肠杆菌BP41Y3为宿主，通过优化发酵条件提升1,3-丙二醇（1,3-PD）产量。菌株采用融合蛋白YqhD-DhaB1策略构建，以纯甘油或粗甘油为唯一碳源。研究者先用单因素法确定最佳环境条件为初始pH 8.0、37°C、静置培养；随后用响应面法优化营养组分，最优培养基含63.65 mM富马酸盐、3.80 g/L (NH4)2HPO4和1.12 g/L蛋白胨，产量从原始培养基的0.7 g/L提升至2.43 g/L，提高3.5倍。在3L两相发酵系统中，以粗甘油为底物时，无pH控制（初始pH 8.0）获得最高1,3-PD产量1.65 g/L，生产速率0.13 g/L·h，产率0.31 mol/mol粗甘油；该产量较纯甘油降低32%，副产物琥珀酸在24 h时达11.92 g/L。研究表明，传统单因素法与响应面法联用可显著提高1,3-PD产量，两相发酵中无需pH控制即可达到最优效果，粗甘油虽降低产量但仍具可利用性，为低成本生物合成1,3-丙二醇提供了参考。
创新点
利用融合蛋白（YqhD-DhaB1）策略构建重组菌株，结合传统方法与统计优化，并首次以粗甘油作为唯一碳源研究两相发酵系统中pH控制对1,3-PD生产的影响。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli BL21(DE3) | 1,3-丙二醇生物合成途径（甘油还原途径） | dhaB1 | 甘油脱水酶（GDHt） | 催化 | 来自Clostridium butyricum VPI1718，辅酶B12非依赖型，催化甘油脱水生成3-HPA |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 1,3-丙二醇生物合成途径（甘油还原途径） | dhaB2 | 甘油脱水酶激活因子（GDHtAc） | 催化 | 来自Clostridium butyricum VPI1718，辅助GDHt活性 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 1,3-丙二醇生物合成途径（甘油还原途径） | yqhD | 1,3-丙二醇氧化还原酶同工酶（PDORI） | 催化 | 来自E. coli，NADP依赖，催化3-HPA还原为1,3-PD |
关键发现
- 最佳环境条件为初始pH
- 0、37°C、不摇动不搅拌；RSM优化所得最佳培养基组成为63.65 mM富马酸盐、3.80 g/L (NH4)2HPO4、1.12 g/L蛋白胨，产量达2.43 g/L，较原始培养基（0.7 g/L）提高3.5倍；两相发酵系统中无pH控制（初始pH
- 0）时获得最高1,3-PD产量1.65 g/L，生产速率0.13 g/L·h，产率0.31 mol 1,3-PD/mol粗甘油；使用粗甘油使1,3-PD产量比纯甘油降低32%；琥珀酸为主要副产物，24 h时最大浓度达11.92 g/L。
研究结论
结合传统单因素法与响应面法显著提高了重组E. coli BP41Y3的1,3-丙二醇产量；两相发酵系统无pH控制为最优条件，粗甘油虽降低产量但仍可利用。