Enhancing productivity for cascade biotransformation of styrene to (S)-vicinal diol with biphasic system in hollow fiber membrane bioreactor
- 作者
- Pengfei Gao, Shuke Wu, Prashant Praveen, Kai-Chee Loh, Zhi Li
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2017）
- DOI
- 10.1007/s00253-016-7954-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
苯乙烯在级联生物转化中对细胞和酶具有强毒性和抑制作用，导致产物产量低，需要开发能隔离底物毒性并提高生产率的方法。
研究策略
建立中空纤维膜生物反应器（HFMB）基水/有机双相系统，有机溶剂在壳侧储存苯乙烯，水相中细胞悬浮液在管内侧，通过膜隔离底物和细胞，同时利用有机溶剂对苯乙烯的高分配系数降低水相底物浓度，并保持产物主要在水相便于回收。
核心内容
针对苯乙烯级联生物转化中底物毒性强、产物产量低的瓶颈，该研究构建了基于中空纤维膜生物反应器（HFMB）的水/有机双相系统。系统以n-十六烷为有机相储存高浓度苯乙烯，水相中悬浮大肠杆菌SSP1细胞，通过膜隔离底物与细胞，利用有机溶剂的高分配系数降低水相底物浓度，同时使产物主要保留于水相，兼顾了毒性缓解与产物回收便利，并有效避免乳化。在1 M苯乙烯、10 g CDW/L细胞、30°C条件下反应35小时，产物(S)-1-苯基-1,2-乙二醇浓度达143 mM，是纯水相的16倍，是传统分散双相系统的1.6倍。增大比界面面积至0.3 m2/g CDW或将细胞密度提升至15 g CDW/L，可进一步使产物浓度分别提升至144 mM和155 mM。毒性测试显示50 mM苯乙烯预处理10小时后细胞存活率仅5.8%、残余活性0.5%，证实底物毒性是主要限制因素。该HFMB双相系统通过膜隔离有效降低了底物毒性，显著提升级联转化生产率，为有毒底物的生物转化提供了一种通用平台策略。
创新点
首次将HFMB基双相系统应用于级联生物转化；与以往系统不同的是，底物主要保留在有机相而产物主要保留在水相，同时降低底物毒性和产物回收负担；该组合系统有效防止发泡和乳化。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli (SSP1) | 苯乙烯对映选择性反式二羟基化生成(S)-1-苯基-1,2-乙二醇 | SMO (styrene monooxygenase) | 苯乙烯单加氧酶 | 催化 | GenBank accession AF031161；催化苯乙烯环氧化，是级联反应的限速步骤。 |
| Escherichia coli (SSP1) | 苯乙烯对映选择性反式二羟基化生成(S)-1-苯基-1,2-乙二醇 | SpEH (epoxide hydrolase) | 环氧化物水解酶 | 催化 | GenBank accession KX146840；来自Sphingomonas，催化苯乙烯氧化物水解为(S)-邻二醇。 |
关键发现
- 在HFMB基水/n-十六烷双相系统中，1 M苯乙烯经E. coli (SSP1)（10 g CDW/L）在30°C反应35 h，产物(S)-1-苯基-1,2-乙二醇浓度达143 mM，是纯水相（8.75 mM）的16倍，是传统分散分配双相系统（89.1 mM）的1.6倍。将比界面面积从0.15 m2/g CDW增加至0.3 m2/g CDW，产物从87.8 mM提高到144 mM
- 细胞密度从5 g CDW/L增至15 g CDW/L时，产物从83.6 mM提高到155 mM。E. coli (SSP1)的比活性在8-12 h达到71.8-88.0 U/g CDW。50 mM苯乙烯预处理10 h后细胞存活率仅5.8%，残余活性为0.5%
- 50 mM产物预处理后存活率43%，残余活性66%。
研究结论
HFMB基水/有机双相系统能有效降低有毒底物对全细胞催化剂的毒性，显著提高级联生物转化生产率和产物浓度，同时简化下游处理，可作为有毒底物单步或级联生物转化的通用平台。