Dielectric barrier discharge plasma as a novel approach for improving 1,3-propanediol production in Klebsiella pneumoniae
- 作者
- Xiao-Yu Dong, Zhi-Long Xiu, Shuang Li, Ying-Min Hou, Dai-Jia Zhang, Chun-Sheng Ren
- 杂志
- Biotechnology Letters（2010）
- DOI
- 10.1007/s10529-010-0284-y
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
野生型肺炎克雷伯氏菌生产1,3-丙二醇的产量低、对高浓度甘油耐受性差，需要获得高产稳产工业菌株。
研究策略
利用介质阻挡放电（DBD）等离子体在常压空气中处理肺炎克雷伯氏菌悬液，通过诱变筛选获得稳定高产1,3-丙二醇的突变株Kp-M2，并测定关键酶活、分析代谢通量及进行批式和补料分批发酵验证。
核心内容
本研究采用介质阻挡放电（DBD）等离子体在常压空气中处理肺炎克雷伯氏菌悬液，通过诱变筛选获得一株稳定高产的1,3-丙二醇突变株Kp-M2。实验确定120秒处理时间可获得最高正突变率（31%）。与野生型相比，Kp-M2的甘油脱氢酶、甘油脱水酶和1,3-丙二醇氧化还原酶比活分别从0.11、9.2和0.15 U/mg提高到0.67、14.4和1.6 U/mg。批式发酵中，Kp-M2的1,3-丙二醇终浓度从野生型的16.2 g/L提升至19.9 g/L，提高约23%；补料分批发酵中，产量达76.7 g/L（野生型为49.2 g/L），产率0.58 mol/mol，生产强度2.13 g/L/h，分别较野生型提高56%、35%和55%。代谢通量分析显示，Kp-M2中甘油通量向还原途径的分流增加了20%。结果表明，DBD等离子体诱变可有效提升肺炎克雷伯氏菌的1,3-丙二醇生产能力，所获菌株Kp-M2具备良好工业应用潜力。
创新点
首次采用DBD等离子体诱变肺炎克雷伯氏菌获得1,3-丙二醇高产菌株；确定了120秒处理时间获得最高正突变率（31%）；突变株Kp-M2在酶活和发酵性能上显著优于野生型。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Klebsiella pneumoniae | 甘油氧化途径 | — | 甘油脱氢酶（GDH） | 催化 | 比活从0.11 U/mg提高到0.67 U/mg |
| Klebsiella pneumoniae | 1,3-丙二醇还原途径 | — | 甘油脱水酶（GDHt） | 催化 | 比活从9.2 U/mg提高到14.4 U/mg |
| Klebsiella pneumoniae | 1,3-丙二醇还原途径 | — | 1,3-丙二醇氧化还原酶（PDOR） | 催化 | 比活从0.15 U/mg提高到1.6 U/mg |
关键发现
- 筛选获得突变株Kp-M2，其甘油脱氢酶（GDH）、甘油脱水酶（GDHt）和1,3-丙二醇氧化还原酶（PDOR）比活分别从野生型的0.11、9.2和0.15 U/mg提高到0.67、14.4和1.6 U/mg。批式发酵中，Kp-M2的1,3-丙二醇终浓度为19.9 g/L，较野生型16.2 g/L提高23%
- 补料分批发酵中，Kp-M2的1,3-丙二醇浓度达76.7 g/L（野生型49.2 g/L），产率0.58 mol/mol，生产强度2.13 g/L/h，比生成速率0.32 g/g/h，分别比野生型提高56%、35%、55%和10%。代谢通量分析显示，Kp-M2甘油通量向还原途径的分流增加20%。
研究结论
DBD等离子体诱变是一种有效改良肺炎克雷伯氏菌以提升1,3-丙二醇产量的方法，所获菌株Kp-M2具有良好工业应用潜力。