Non-capsulated mutants of a chemical-producing Klebsiella pneumoniae strain
- 作者
- Dong Wei, Yuki Yuminaga, Jiping Shi, Jian Hao
- 单位
- Lab of Biorefinery, Shanghai Advanced Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Pudong, Shanghai 201210, People's Republic of China; University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China; School of Life Science and Technology, ShanghaiTech University, Pudong, Shanghai 201210, People's Republic of China
- 杂志
- Biotechnology Letters（2018）
- DOI
- 10.1007/s10529-018-2524-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
荚膜多糖对工业菌株Klebsiella pneumoniae的转化效率和化学品（1,3-丙二醇、2,3-丁二醇、2-酮葡萄糖酸）生产的影响，以及通过基因敲除消除荚膜以改善生物安全性和下游处理。
研究策略
通过同源重组敲除cps基因簇中高度保守的wza基因，构建非荚膜突变株，比较突变株与野生型在表型、电转化效率、三种化学品产量、细胞生长和发酵液粘度上的差异。
研究路线图
核心内容
该研究以产化学品的工业菌株肺炎克雷伯氏菌CGMCC 1.6366为对象，通过同源重组敲除荚膜多糖合成基因簇中高度保守的wza基因，构建了非荚膜突变株，系统评估了荚膜缺失对菌株安全性、遗传操作效率和发酵性能的影响。结果显示，wza敲除使菌株完全丧失荚膜形成能力，细胞沉降性增强，电转化效率由野生型的5.5×10⁴ CFU/μg DNA提升至6.4×10⁵ CFU/μg DNA，提高约10倍。在产物合成方面，1,3-丙二醇产量为47.9 g/L，较野生型的52.2 g/L仅降低约8%；2,3-丁二醇产量为30.7 g/L，较野生型的51.2 g/L下降约40%；在ΔbudA背景下，2-酮葡萄糖酸产量为158.5 g/L，较对照的175.9 g/L下降约10%。同时，三组发酵液粘度均显著降低至1.2~1.4 cP，远低于野生型的1.8~2.2 cP。此外，cps基因簇全长24862 bp，含20个开放阅读框，其中37.5%的序列与已知基因无同源性，且wzi序列与致病性肺炎克雷伯氏菌差异明显。该研究首次在工业菌株中通过敲除wza获得非荚膜突变株，在兼顾产物产量的同时显著改善了菌株生物安全性、遗传可操作性和下游处理经济性，为工业应用提供了更优的底盘菌株。
创新点
首次在工业菌株K. pneumoniae CGMCC 1.6366中敲除wza基因获得非荚膜突变株，显著提高电转化效率（约10倍），降低发酵液粘度（从1.8-2.2 cP降至约1.3 cP），同时维持了较高的化学品产量，为工业应用提供了更安全的菌株。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Klebsiella pneumoniae CGMCC 1.6366 | 荚膜多糖合成与转运 | wza | Wza | 转运 | 编码外膜蛋白，介导荚膜多糖向细胞表面转运；敲除后获得非荚膜突变株，提高转化效率并降低发酵液粘度。 |
| Klebsiella pneumoniae CGMCC 1.6366 | 2,3-丁二醇合成 | budA | BudA (α-乙酰乳酸脱羧酶) | 催化 | 敲除budA以构建ΔbudA和ΔbudAΔwza菌株，用于2-酮葡萄糖酸生产。 |
关键发现
- wza基因敲除使K. pneumoniae CGMCC 1.6366丧失荚膜形成能力，细胞沉降性增强
- 电转化效率达到6.4×10^5 CFU/μg DNA，比野生型（5.5×10^4 CFU/μg DNA）提高约10倍
- 1,3-丙二醇产量为47.9 g/L（野生型52.2 g/L，降低约8%）
- 2,3-丁二醇产量为30.7 g/L（野生型51.2 g/L，降低约40%）
- 2-酮葡萄糖酸产量在ΔbudAΔwza中为158.5 g/L（ΔbudA为175.9 g/L，降低约10%）
- 三种发酵液的粘度分别降至1.26、1.22和1.39 cP，而野生型为1.93、2.12和1.85 cP
- 此外，cps基因簇长24862 bp，含20个ORFs，其中37.5%的序列与已知基因无同源性，wzi序列与K. oxytoca和K. terrigena的等位基因接近，表明该菌株与致病菌株有显著差异。
研究结论
非荚膜K. pneumoniae突变株能够缓解生物安全性担忧，提高转化效率，降低发酵液粘度，从而降低下游处理的成本，适合工业应用。