Production of 3-hydroxypropionic acid from glycerol by acid tolerant Escherichia coli
- 作者
- Mugesh Sankaranarayanan, Somasundar Ashok, Sunghoon Park
- 单位
- School of Chemical and Biomolecular Engineering, Pusan National University, Busan, South Korea
- 杂志
- Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology（2014）
- DOI
- 10.1007/s10295-014-1451-2
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
3-羟基丙酸（3-HP）的毒性限制了其以甘油为底物的大肠杆菌发酵生产，需要筛选对3-HP耐受且能高效生产的宿主菌株。
研究策略
比较九株已知可高效产有机酸的大肠杆菌在3-HP存在下的生长和甘油消耗，并导入甘油脱水酶（DhaB）、甘油脱水酶再激活因子（GdrAB）和醛脱氢酶（KGSADH），在摇瓶和补料分批反应器中评估3-HP产量。
核心内容
为克服3-羟基丙酸（3-HP）的毒性对大肠杆菌发酵生产的限制，本研究系统比较了九株已知可高效产有机酸的大肠杆菌菌株在3-HP存在下的生长与甘油消耗能力，并导入甘油脱水酶（DhaB）、其再激活因子（GdrAB）及醛脱氢酶（KGSADH）构建生产途径，在摇瓶和补料分批反应器中评估产量。结果显示，在25 g/L 3-HP下，E. coli C、K12和W的比生长速率分别为0.58、0.56和0.51 h⁻¹，而DF40仅为0.16 h⁻¹；摇瓶培养中重组E. coli B产量最高达35.6 mM。补料分批发酵48小时，E. coli W3110 DUBGK产3-HP 15.3 g/L（摩尔产率26%），而E. coli W DUBGK产3-HP达41.5 g/L，摩尔产率31%，生产率为0.86 g/L·h，同时生成副产物乙酸97.9 mM和1,3-丙二醇76.7 mM。研究表明E. coli W是兼顾3-HP耐受性与高产能力的最优宿主，其耐酸性及DhaB-KGSADH活性平衡对高效生产至关重要，菌株筛选可显著提升3-HP产量与生产强度，该产量为当时大肠杆菌体系的最高报道。
创新点
首次系统比较多种大肠杆菌菌株的3-HP耐受性和生产能力，发现E. coli W是兼顾耐受性和高产的宿主；在甘油补料分批发酵中获得41.5 g/L的3-HP，为当时大肠杆菌生产3-HP的最高报道。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli W3110 | 3-羟基丙酸合成途径（甘油） | dhaB123 | 甘油脱水酶（DhaB） | 催化 | 将甘油转化为3-羟基丙醛（3-HPA） |
| Escherichia coli W3110 | 3-羟基丙酸合成途径（甘油） | gdrAB | 甘油脱水酶再激活因子（GdrAB） | 调控 | 替换受损的辅酶B12，恢复DhaB活性 |
| Escherichia coli W3110 | 3-羟基丙酸合成途径（甘油） | KGSADH | 醛脱氢酶（KGSADH） | 催化 | 将3-HPA氧化为3-羟基丙酸（3-HP） |
| Escherichia coli W | 3-羟基丙酸合成途径（甘油） | dhaB123 | 甘油脱水酶（DhaB） | 催化 | 将甘油转化为3-HPA |
| Escherichia coli W | 3-羟基丙酸合成途径（甘油） | gdrAB | 甘油脱水酶再激活因子（GdrAB） | 调控 | 替换受损辅酶B12，恢复DhaB活性 |
| Escherichia coli W | 3-羟基丙酸合成途径（甘油） | KGSADH | 醛脱氢酶（KGSADH） | 催化 | 将3-HPA氧化为3-HP |
关键发现
- 在25 g/L 3-HP存在下，E. coli C、K12和W的比生长速率分别为0.58、0.56和0.51 h^-1，而DF40仅为0.16 h^-1
- 摇瓶培养中，重组E. coli B产3-HP最高（35.6 mM），E. coli W和W3110分别为29.2 mM和28.7 mM
- 补料分批发酵48 h，E. coli W3110 DUBGK产3-HP 180±8.5 mM（15.3±0.8 g/L），摩尔产率26%，生产率0.36±0.02 g/L·h
- E. coli W DUBGK产3-HP 460±10 mM（41.5±1.1 g/L），摩尔产率31%，生产率0.86±0.05 g/L·h，同时生成副产物乙酸97.9 mM和1,3-丙二醇76.7 mM。
研究结论
E. coli W是最适合从甘油生产3-HP的大肠杆菌宿主，其耐酸性和DhaB-KGSADH活性平衡对高效生产至关重要；通过菌株筛选可显著提高3-HP产量和生产强度。