Non-water miscible ionic liquid improves biocatalytic production of geranyl glucoside with Escherichia coli overexpressing a glucosyltransferase
- 作者
- Andreas Schmiedder, Xenia Priebe, Mark Rubenbauer, Thomas Hoffmann, Fong-Chin Huang, Wilfried Schwab, Dirk Weuster-Botz
- 杂志
- Bioprocess and Biosystems Engineering（2016）
- DOI
- 10.1007/s00449-016-1617-6
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
香叶醇水溶性低、易挥发且有毒性，导致全细胞催化生产香叶基葡萄糖苷的产量和转化率低。
研究策略
通过高细胞密度培养过表达葡萄糖基转移酶VvGT14a的大肠杆菌获得高活性全细胞催化剂；利用非水溶性离子液体(HPYR)(NTF)构建两相反应系统，实现底物原位供给和产物分离。
核心内容
针对香叶醇水溶性低、易挥发且有毒性导致全细胞催化生产香叶基葡萄糖苷效率低的问题，该研究构建了大肠杆菌全细胞催化两相反应系统。首先通过高细胞密度培养过表达葡萄糖基转移酶VvGT14a的大肠杆菌BL21(DE3)，获得干重67.6 g/L、酶浓度2.7 g蛋白/L的高活性催化剂；随后引入非水溶性离子液体(HPYR)(NTF)构建两相系统，利用其作为底物储库实现香叶醇原位供给和产物分离。结果显示，添加5%(v/v)离子液体后，香叶基葡萄糖苷最终浓度达291 mg/L，转化率71%，较单相系统的118 mg/L和28%显著提升，并超过文献报道的165 mg/L和41%的最高水平。机制分析表明，香叶醇在离子液体相的溶解度比水相高20倍，产物则在离子液体相富集35倍，有效缓解了底物毒性和产物抑制。该策略为工业规模的两相生物转化和产物回收提供了新途径。
创新点
开发了高细胞密度培养工艺获得高浓度全细胞催化剂；首次使用非水溶性离子液体(HPYR)(NTF)作为底物储库，显著提高了香叶基葡萄糖苷的产量和转化率，达到目前文献报道的最高水平。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli BL21(DE3) | 香叶基葡萄糖苷合成途径 | VvGT14a | VvGT14a (UDP-葡萄糖基转移酶) | 催化 | 来自葡萄(Vitis vinifera)的葡萄糖基转移酶，催化香叶醇与UDP-葡萄糖的糖基化反应 |
关键发现
- 高细胞密度培养获得干重67.6±1.2 g/L和酶浓度2.7±0.1 g蛋白/L
- 全细胞催化最适pH为7.0（纯酶最适pH 8.5）
- 添加5%(v/v)离子液体后，香叶基葡萄糖苷最终浓度达291±9 mg/L，转化率71±2%，相比单相系统（118±13 mg/L, 28±3%）和文献（165 mg/L, 41%）显著提高
- 两相系统中底物香叶醇在离子液体相溶解度比水相高20倍，产物则35倍富集于离子液体相。
研究结论
非水溶性离子液体(HPYR)(NTF)作为第二相可高效提供底物并降低毒性，显著提升全细胞催化合成香叶基葡萄糖苷的性能，为工业规模的两相生物转化和产物回收提供了新途径。