Rapid and stable production of 2,3-butanediol by an engineered Saccharomyces cerevisiae strain in a continuous airlift bioreactor
- 作者
- Ryosuke Yamada, Riru Nishikawa, Kazuki Wakita, Hiroyasu Ogino
- 单位
- Department of Chemical Engineering, Osaka Prefecture University
- 杂志
- Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology（2018）
- DOI
- 10.1007/s10295-018-2033-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
2,3-丁二醇（2,3-BDO）的高效生产菌株多为致病菌（如肺炎克雷伯菌），存在安全风险；非致病酿酒酵母的连续发酵生产率有待提高。
研究策略
在已构建的2,3-BDO生产菌株YPH499/dPdAdG/BDN6-10中过表达FLO1基因赋予絮凝能力，并在气升式生物反应器中开展连续发酵，逐步提高稀释速率。
核心内容
针对2,3-丁二醇（2,3-BDO）生产菌株多为致病菌的安全隐患，以及非致病酿酒酵母连续发酵生产率偏低的问题，该研究在已构建的2,3-BDO生产菌株YPH499/dPdAdG/BDN6-10中过表达絮凝基因FLO1，并利用气升式生物反应器进行连续发酵，通过逐步提高稀释速率实现高密度细胞滞留。结果显示，絮凝菌株消耗了超过90 g/L的葡萄糖，在380小时内稳定产生超过30 g/L的2,3-BDO；在稀释率0.200/h时达到最大生产率7.64 g/L/h，高于非絮凝菌株的6.73 g/L/h，也远超文献报道的致病菌连续发酵产率（2.3-5.6 g/L/h）。发酵432小时时，反应器内絮凝菌株生物量达65.1 g-dry cell/L，约为非絮凝菌株的3倍；该条件下2,3-BDO碳收率为54.4%，乙醇几乎未检出。通过赋予酿酒酵母絮凝特性并结合气升式反应器连续发酵，实现了快速稳定的2,3-BDO生产，为非致病酵母的工业化应用提供了可行方案。
创新点
首次实现非致病酿酒酵母连续发酵生产2,3-BDO；利用絮凝细胞在气升式反应器内高密度滞留，显著提高生产强度和稳定性。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae YPH499/dPdAdG/BDN6-10/FLO1 | 2,3-丁二醇生物合成 | alsS | α-乙酰乳酸合成酶 | 催化 | 来源于Bacillus subtilis，催化丙酮酸生成α-乙酰乳酸 |
| Saccharomyces cerevisiae YPH499/dPdAdG/BDN6-10/FLO1 | 2,3-丁二醇生物合成 | alsD | α-乙酰乳酸脱羧酶 | 催化 | 来源于Bacillus subtilis，催化α-乙酰乳酸生成乙偶姻 |
| Saccharomyces cerevisiae YPH499/dPdAdG/BDN6-10/FLO1 | 2,3-丁二醇生物合成 | bdhA | 丁二醇脱氢酶 | 催化 | 来源于Bacillus amyloliquefaciens，催化乙偶姻生成2,3-丁二醇 |
| Saccharomyces cerevisiae YPH499/dPdAdG/BDN6-10/FLO1 | 氧化还原平衡 | NADH oxidase (nox) | NADH氧化酶 | 催化 | 来源于Lactococcus lactis，催化NADH氧化为NAD+，缓解氧化还原失衡 |
| Saccharomyces cerevisiae YPH499/dPdAdG/BDN6-10/FLO1 | 副产物乙醇合成 | PDC1 | 丙酮酸脱羧酶 | 催化 | 已删除，减少乙醇副产物 |
| Saccharomyces cerevisiae YPH499/dPdAdG/BDN6-10/FLO1 | 副产物乙醇合成 | ADH1 | 乙醇脱氢酶 | 催化 | 已删除，减少乙醇副产物 |
| Saccharomyces cerevisiae YPH499/dPdAdG/BDN6-10/FLO1 | 副产物甘油合成 | GPD1 | 甘油-3-磷酸脱氢酶 | 催化 | 已删除，减少甘油副产物 |
| Saccharomyces cerevisiae YPH499/dPdAdG/BDN6-10/FLO1 | 细胞絮凝/固定化 | FLO1 | Flo1絮凝蛋白 | 区室化 | 受PGK1启动子调控过表达，赋予细胞絮凝能力，使其滞留于生物反应器内形成高密度聚集体 |
| Saccharomyces cerevisiae YPH499/dPdAdG/BDN6-10/FLO1 | 基因表达调控 | PGK1 promoter | — | 调控 | 用于替换FLO1天然启动子，实现FLO1的强表达 |
关键发现
- 絮凝菌株YPH499/dPdAdG/BDN6-10/FLO1消耗了超过90 g/L的葡萄糖（约占输入量的90%），在380小时内稳定产生超过30 g/L的2,3-BDO
- 最大生产率为7.64 g/L/h（稀释率0.200/h），高于非絮凝菌株的6.73 g/L/h及文献报道的致病菌连续发酵产率（2.3-5.6 g/L/h）。发酵432 h时，反应器内絮凝菌株生物量为65.1 g-dry cell/L，是非絮凝菌株（22.0 g-dry cell/L）的3倍。碳收率方面，絮凝菌株在稀释率0.200/h时2,3-BDO碳收率为54.4%，甘油为60.1%，乙醇几乎未检测到。
研究结论
通过赋予酿酒酵母絮凝特性并在气升式反应器中进行连续发酵，成功实现了快速、稳定的2,3-BDO生产，最大产率7.64 g/L/h，远超现有致病菌连续工艺，为非致病酵母工业化生产2,3-BDO提供了可行方案。