Enhanced production of (R,R)-2,3-butanediol by metabolically engineered Klebsiella oxytoca
- 作者
- Jong Myoung Park, Chelladurai Rathnasingh, Hyohak Song
- 杂志
- Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology（2015）
- DOI
- 10.1007/s10295-015-1648-z
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
meso-2,3-丁二醇因凝固点高而难以运输和储存，需要开发高纯度(R,R)-2,3-丁二醇的高产菌株。
研究策略
以K. oxytoca ΔldhA ΔpflB为基础菌株，删除内源budC基因，引入P. polymyxa来源的(R,R)-2,3-丁二醇脱氢酶基因（PBDH），并通过pBBR1MCS质粒过表达该酶，结合补料分批发酵优化生产。
核心内容
该研究针对meso-2,3-丁二醇凝固点高、不利于运输储存的问题，以代谢工程手段改造Klebsiella oxytoca，实现高纯度(R,R)-2,3-丁二醇的高效生产。作者以敲除ldhA和pflB的K. oxytoca为基础菌株，删除内源budC基因，并引入Paenibacillus polymyxa来源的(R,R)-2,3-丁二醇脱氢酶基因，通过pBBR1MCS质粒过表达该酶，结合补料分批发酵优化生产。工程菌株经补料分批发酵可产106.7 g/L (R,R)-2,3-丁二醇和9.3 g/L meso-2,3-丁二醇，总浓度达116 g/L，产率0.40 g/g，生产强度3.1 g/L/h，(R,R)-2,3-丁二醇占92%以上。与未过表达菌株相比，总2,3-丁二醇浓度提高31.8%，生产强度提高93.8%，乙偶姻积累从15.5 g/L降至8.9 g/L。该策略通过外源立体特异性脱氢酶替换内源酶并强化表达，有效解决了代谢瓶颈，所得产量与生产强度可媲美meso-2,3-丁二醇工艺，具备工业应用潜力。
创新点
['在K. oxytoca中引入外源(R,R)-2,3-BD脱氢酶基因替换天然budC基因', '利用pBBR1MCS质粒过表达(R,R)-2,3-BD脱氢酶，解决代谢瓶颈', '获得高产率、高生产强度、高纯度的(R,R)-2,3-BD发酵工艺']
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Klebsiella oxytoca KCTC12133BP (ΔldhA ΔpflB) | 2,3-丁二醇生物合成通路 | ldhA, pflB | 乳酸脱氢酶, 丙酮酸甲酸裂解酶 | 催化 | 通过基因敲除消除乳酸和甲酸等副产物，强化2,3-丁二醇合成通量 |
| Klebsiella oxytoca ΔldhA ΔpflB ΔbudC:PBDH (pBBR-PBDH) | 2,3-丁二醇生物合成通路 | budC | 内源2,3-丁二醇脱氢酶 | 催化 | 删除budC基因以避免meso-2,3-丁二醇的生成 |
| Klebsiella oxytoca ΔldhA ΔpflB ΔbudC:PBDH (pBBR-PBDH) | 2,3-丁二醇生物合成通路 | PBDH (Paenibacillus polymyxa来源) | (R,R)-2,3-丁二醇脱氢酶 | 催化 | 通过pBBR1MCS质粒过表达，催化乙偶姻生成(R,R)-2,3-丁二醇 |
关键发现
- 工程菌株K. oxytoca ΔldhA ΔpflB ΔbudC:PBDH (pBBR-PBDH) 经补料分批发酵可产106.7 g/L (R,R)-2,3-BD和9.3 g/L meso-2,3-BD，总2,3-BD浓度为116 g/L，产率0.40 g/g，生产强度3.1 g/L/h，(R,R)-2,3-BD占总2,3-BD的92%以上
- 与未过表达菌株相比，总2,3-BD浓度提高31.8%，产率提高25%，生产强度提高93.8%，乙偶姻积累从15.5 g/L降至8.9 g/L。
研究结论
成功构建了能够高效生产高纯度(R,R)-2,3-丁二醇的K. oxytoca工程菌株，其产量、产率和生产强度可媲美meso-2,3-BD生产工艺，且解决了meso-2,3-BD因凝固点高导致的运输储存难题，具备工业应用潜力。