Engineering Clostridium acetobutylicum with a histidine kinase knockout for enhanced \(n\) -butanol tolerance and production
- 作者
- Mengmeng Xu, Jingbo Zhao, Le Yu, I-Ching Tang, Chuang Xue, Shang-Tian Yang
- 单位
- William G. Lowrie Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The Ohio State University; Bioprocessing Innovative Company; Department of Life Science and Biotechnology, Dalian University of Technology
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2015）
- DOI
- 10.1007/s00253-014-6249-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
传统ABE发酵受丁醇产物抑制，丁醇产量低（通常低于12-14 g/L），需要开发高丁醇耐受性和高丁醇产量的菌株。
研究策略
通过比较基因组学分析高丁醇耐受和高产突变株JB200，发现cac3319基因存在单碱基缺失，利用ClosTron II型内含子基因敲除系统在亲本ATCC 55025中敲除cac3319基因，构建HKKO突变株，并通过回补实验验证其功能。
核心内容
本研究通过比较基因组学分析发现高丁醇耐受高产菌株JB200中组氨酸激酶基因cac3319存在单碱基缺失，利用ClosTron II型内含子基因敲除系统在亲本菌株Clostridium acetobutylicum ATCC 55025中敲除该基因，构建了HKKO突变株，并通过回补实验验证其功能。结果表明，cac3319负向调控溶剂生产和丁醇耐受性：HKKO丁醇产量达18.2±1.3 g/L，较亲本（12.6±0.2 g/L）提高44.4%，生产力提高90%至0.38±0.03 g/L/h；丁醇耐受浓度由12 g/L提升至14 g/L。回补菌株丁醇产量恢复至12.8±0.3 g/L，证实了基因功能。产丁醇最高的JB200可达20.3±1.8 g/L，总溶剂33.3±2.5 g/L。该研究首次证明组氨酸激酶在溶剂生产调控中的关键作用，为通过敲除组氨酸激酶基因提高丁醇耐受性和产量提供了新的代谢工程策略，对工业丁醇生产具有应用价值。
创新点
首次证明cac3319基因编码的组氨酸激酶在调控C. acetobutylicum的溶剂生产和丁醇耐受性中发挥重要作用；提供了一种通过敲除组氨酸激酶基因来提高丁醇耐受性和产量的新型代谢工程策略。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium acetobutylicum ATCC 55025 | ABE发酵（丙酮-丁醇-乙醇） | cac3319 | 组氨酸激酶 Cac3319 | 调控 | 敲除该基因构建HKKO突变株，丁醇产量提高44.4%，耐受性提高至14 g/L；该基因编码双组分信号转导系统中的组氨酸激酶，调控孢子形成和溶剂生成。 |
关键发现
- JB200突变株丁醇产量达约21 g/L，较亲本ATCC 55025（约12.6 g/L）提高约67%；敲除cac3319的HKKO突变株丁醇产量为18.2±1.3 g/L（vs.
- 6±0.2 g/L），提高44.4%，生产力为0.38±0.03 g/L/h（vs.
- 20±0.02 g/L/h），提高90%；JB200丁醇产量20.3±1.8 g/L，总溶剂33.3±2.5 g/L，丁醇得率0.23 g/g葡萄糖；HKKO总溶剂31.0±2.8 g/L，丁醇得率0.20 g/g；回补菌株HKKO(cac3319)丁醇产量恢复至12.8±0.3 g/L；丁醇耐受性实验中，ATCC 55025在12 g/L丁醇时停止生长，HKKO可耐受至14 g/L，JB200可耐受至16 g/L。
研究结论
cac3319基因在C. acetobutylicum中负向调控溶剂生产和丁醇耐受性，敲除该基因可显著提高丁醇产量和耐受性，为工业丁醇生产提供了一种有效的代谢工程新策略。