Isolation, characterization and evaluation of hyper 2-propanol producing bacteria from Singapore environment
- 作者
- Zhi Rui Ng, Katsuyuki Takahashi, Zhibin Liu
- 单位
- Institute of Chemical and Engineering Sciences, 1 Pesek Road, Jurong Island, Singapore 627833, Singapore; Abbott Laboratories Singapore, Neuros #03-01, 8 Biomedical Grove, Singapore 138665, Singapore; Mitsui Chemical Singapore R&D Centre, Pte. Ltd., #06-08/11 The Kendall, 50 Science Park Road, Singapore Science Park II, Singapore 117406, Singapore
- 杂志
- World Journal of Microbiology and Biotechnology（2013）
- DOI
- 10.1007/s11274-013-1269-5
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
现有天然2-丙醇生产菌株（如Clostridium beijerinckii NRRL B593）的2-丙醇产量和产率低，难以满足工业化需求，需从环境中筛选高效生产菌株。
研究策略
从新加坡环境采集土壤样本，利用含淀粉的培养基富集梭菌，随后通过24孔板高通量培养和碘液检测丙酮（2-丙醇前体）的反应，筛选出2-丙醇产量比NRRL B593高50%以上的菌株，并在2L发酵罐中进行1L规模发酵验证。
核心内容
研究人员从新加坡环境土壤中分离并筛选高效生产2-丙醇的天然梭菌菌株。首先利用含淀粉培养基富集梭菌，随后开发了基于丙酮-碘显色反应的高通量筛选方法，在24孔板中快速鉴定出三株2-丙醇产量显著高于已知最有效天然生产者Clostridium beijerinckii NRRL B593的菌株。经2L发酵罐1L规模验证，菌株BT10-6、M10-1和PU31-4的2-丙醇产量分别达5.26、4.10和4.29 g/L，为B593（2.56 g/L）的1.6至2.1倍；产率分别为0.132、0.118和0.087 g/L/h，是B593（0.029 g/L/h）的3.0至4.6倍。三株菌的葡萄糖在40至48小时内几乎完全消耗，其丁醇产率也较对照菌株NCIMB 8052提升1.4至1.7倍。这些分离自新加坡环境的梭菌属菌株表现出远超现有天然菌株的2-丙醇合成效率，具备替代石化法生产2-丙醇的潜力，可作为工程改造的出发菌株，通过删除副产物途径或结合原位产物回收进一步优化。
创新点
开发了基于丙酮-碘显色反应的高通量筛选方法；首次从新加坡环境分离得到三株超高产2-丙醇的梭菌（Clostridium sp. BT10-6, M10-1, PU31-4），其2-丙醇产量和产率显著超过已知最有效的天然生产者。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium sp. BT10-6 | 2-丙醇/丁醇/丙酮发酵途径（糖酵解-丙酮酸-乙酰CoA分支） | — | — | 催化 | 分离自新加坡土壤，在2L发酵罐中1L规模发酵40h产2-丙醇5.26 g/L，产率0.132 g/L/h，为最高产量菌株。 |
| Clostridium sp. M10-1 | 2-丙醇/丁醇/丙酮发酵途径（糖酵解-丙酮酸-乙酰CoA分支） | — | — | 催化 | 分离自新加坡土壤，2-丙醇产量4.10 g/L，产率0.118 g/L/h。 |
| Clostridium sp. PU31-4 | 2-丙醇/丁醇/丙酮发酵途径（糖酵解-丙酮酸-乙酰CoA分支） | — | — | 催化 | 分离自新加坡土壤，2-丙醇产量4.29 g/L，产率0.087 g/L/h。 |
| Clostridium beijerinckii NRRL B593 | 2-丙醇/丁醇/丙酮发酵途径 | — | — | 催化 | 已知最有效的天然2-丙醇生产菌株，作为2-丙醇对照菌，2-丙醇产量2.56 g/L，产率0.029 g/L/h。 |
| Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 | 丁醇/丙酮/乙醇发酵途径 | — | — | 催化 | 丁醇对照菌株，丁醇产率0.146 g/L/h。 |
关键发现
- 三株阳性菌BT10-6、M10-1和PU31-4在1L发酵规模下2-丙醇产量分别为5.26 g/L、4.10 g/L和4.29 g/L，是C. beijerinckii NRRL B593（2.56 g/L）的1.6-2.1倍
- 2-丙醇产率分别为0.132、0.118和0.087 g/L/h，是B593（0.029 g/L/h）的3.0-4.6倍
- 葡萄糖在40-48h内几乎完全消耗。丁醇产率分别为0.253、0.239和0.212 g/L/h，是对照C. beijerinckii NCIMB 8052（0.146 g/L/h）的1.4-1.7倍
- 三株菌的最高OD600接近对照菌（约12-13.5）。
研究结论
分离得到的三株Clostridium属菌株是高效的天然2-丙醇生产者，具有替代石化法生产2-丙醇的潜力，可通过删除副产物途径或结合原位产物回收技术进一步提升产量，也可作为工程菌改造的出发菌株。