Beneficial knockouts in Escherichia coli for producing hydrogen from glycerol
- 作者
- Kien Trung Tran, Toshinari Maeda, Viviana Sanchez-Torres, Thomas K. Wood
- 单位
- Department of Biological Functions Engineering, Graduate School of Life Science and Systems Engineering, Kyushu Institute of Technology; Research Center for Advanced Eco-fitting Technology, Kyushu Institute of Technology; Escuela de Ingeniería Química, Universidad Industrial de Santander; Department of Chemical Engineering, Pennsylvania State University
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2015）
- DOI
- 10.1007/s00253-014-6338-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
大肠杆菌以甘油为底物产氢效率低，且甘油代谢利用慢，需要发掘新的有益基因敲除以提高氢产量。
研究策略
通过随机转座子诱变（Tn5）构建突变文库，在甘油厌氧发酵条件下筛选产氢提高的突变株，鉴定插入位点，并利用Keio敲除株验证产氢、生长及代谢产物。
核心内容
本研究以大肠杆菌BW25113为底盘，旨在提高其以甘油为底物的厌氧产氢效率。作者通过Tn5随机转座子诱变构建突变文库，在甘油厌氧发酵条件下筛选产氢提高的突变株，并结合Keio敲除株验证目标基因功能。结果显示，首次鉴定出aroM、gatZ、ycgR和yfgI四个基因的敲除可显著提升产氢能力，其中ycgR敲除株产氢率提高2.4倍，氢气产率达0.50 mol H2/mol甘油，为野生株的2.4倍；aroM敲除株产氢率提高1.6倍，产率达0.34 mol H2/mol甘油。野生株氢生产力为31±6 μmol H2/mg protein，四株突变体分别提升至49±8、46±7、41±8和44±9。此外，这些突变体的厌氧生长速率提高1.2–1.3倍，甲酸产量增加，而乙醇和乙酸产量下降。研究表明，敲除上述基因可能通过阻断竞争途径、促进甲酸前体积累及加快生长来增强甘油向氢的转化，为大肠杆菌甘油产氢的代谢工程提供了新的有效靶点。
创新点
首次鉴定出aroM、gatZ、ycgR和yfgI四个基因的敲除可显著提高大肠杆菌甘油产氢能力，其中ycgR敲除株产氢率提高2.4倍；揭示了敲除这些基因促进甲酸积累、加快厌氧生长和甘油消耗。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli BW25113 | 甘油代谢/莽草酸途径 | aroM | AroM | 催化 | 预测参与莽草酸途径，敲除后增加磷酸烯醇式丙酮酸并提高产氢，具体功能未实验验证 |
| Escherichia coli BW25113 | 甘油代谢/塔格糖代谢 | gatZ | GatZ（塔格糖-1,6-二磷酸醛缩酶2） | 催化 | 催化塔格糖-1,6-二磷酸转化为磷酸二羟丙酮和甘油醛-3-磷酸，敲除后产氢率提高1.4倍（产率） |
| Escherichia coli BW25113 | 鞭毛运动/能量代谢 | ycgR | YcgR | 调控 | c-di-GMP结合蛋白，作为鞭毛速度制动器限制运动并消耗ATP；敲除后产氢率提高2.4倍 |
| Escherichia coli BW25113 | 未知/产氢 | yfgI | YfgI | 调控 | 功能未知，敲除后产氢率提高2.1倍，可能与DNA修复有关 |
关键发现
- 野生株BW25113的氢生产力为31±6 μmol H2/mg protein
- aroM、gatZ、ycgR、yfgI敲除株分别为49±8、46±7、41±8、44±9，提高1.6、1.5、1.3、1.4倍
- 氢气产率分别达0.34、0.29、0.50、0.41 mol H2/mol甘油，为野生株的1.7、1.4、2.4、2.1倍
- 四株突变体厌氧生长速率提高1.2-1.3倍
- 甲酸产量提高，乙醇和乙酸产量下降。
研究结论
敲除aroM、gatZ、ycgR和yfgI可显著提高大肠杆菌从甘油厌氧产氢的能力，其机制可能与阻断竞争途径、增加甲酸前体积累及加快生长有关，为甘油产氢代谢工程提供了新靶点。