Insights from genome of Clostridium butyricum INCQS635 reveal mechanisms to convert complex sugars for biofuel production
- 作者
- Thiago Bruce, Fernanda Gomes Leite, Milene Miranda, Cristiane C. Thompson, Nei Pereira Jr., Mariana Faber, Fabiano L. Thompson
- 单位
- Faculdade de Tecnologia e Ciencias, Laboratory of Environmental Biotechnology, Salvador, Brazil; Laboratory of Microbiology and SAGE-COPPE, Federal University of Rio de Janeiro (UFRJ), Rio de Janeiro, Brazil; Laboratory of Bioprocesses Development, Federal University of Rio de Janeiro (UFRJ), Rio de Janeiro, Brazil; Department of Biotechnology, Federal University of Bahia, Salvador, Brazil
- 杂志
- Archives of Microbiology（2015）
- DOI
- 10.1007/s00203-015-1166-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
缺乏对Clostridium butyricum INCQS635菌株基因组和代谢潜力的认识，特别是其转化复杂糖类为生物燃料（乙醇、丁醇、丙酮）的机制。
研究策略
采用Ion Torrent技术对C. butyricum INCQS635进行全基因组测序，利用RAST、CAZy数据库和KEGG进行基因注释、碳水化合物活性酶分类和代谢通路重建，并与C. butyricum 5521和C. acetobutylicum ATCC824进行比较分析，同时通过HPLC测定有机溶剂产量。
核心内容
本研究对丁酸梭菌INCQS635进行了全基因组测序与比较基因组学分析，旨在揭示其转化复杂糖类为生物燃料的代谢潜力。采用Ion Torrent测序技术获得基因组，结合RAST、CAZy和KEGG数据库进行基因注释、碳水化合物活性酶分类及代谢通路重建，并与丁酸梭菌5521和丙酮丁醇梭菌ATCC824进行比对，同时利用HPLC测定发酵产物。基因组大小为4,428,945 bp，编码5771个蛋白序列，其中碳水化合物子系统占18%；共鉴定672个CAZyme编码序列，涵盖31个糖苷水解酶家族，其多样性高于丙酮丁醇梭菌。比较分析发现两菌在丁醇合成途径的关键酶上存在差异，丁酸梭菌利用丁酰-CoA脱氢酶EC 1.3.99.2而非EC 1.3.8.1。发酵实验表明该菌株72小时内产生超过1 g/L丁酸，转化甘油为1,3-丙二醇的产量达0.56-0.57 g/g。该基因组资源为理解丁酸梭菌降解半乳聚糖、纤维素、淀粉等复杂多糖的机制提供了分子基础，也为利用该菌株改良生物燃料和化学品生产提供了重要依据。
创新点
首次对C. butyricum INCQS635全基因组进行测序和分析；发现其糖苷水解酶家族（超过30个）比C. acetobutylicum ATCC824更多样；揭示了C. butyricum与C. acetobutylicum在丁醇合成途径中关键酶（如丁酰-CoA脱氢酶EC 1.3.99.2 vs EC 1.3.8.1）的差异；通过比较基因组学阐明了该菌株转化复杂多糖的潜力。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium butyricum INCQS635 | 复杂糖降解（碳水化合物代谢） | — | 糖苷水解酶（GH家族） | 催化 | 包含31个GH家族，GH53和GH16最丰富，GH13、GH39、GH23等涉及半乳聚糖、纤维素、淀粉和几丁质降解 |
| Clostridium butyricum INCQS635 | 丙酮合成 | — | 乙酰-CoA乙酰转移酶 (EC 2.3.1.9) | 催化 | 催化两分子乙酰-CoA缩合为乙酰乙酰-CoA |
| Clostridium butyricum INCQS635 | 丙酮合成 | — | 乙酰-CoA/乙酰乙酰-CoA转移酶 (EC 2.8.3.8) | 催化 | 发现5个序列；将乙酰乙酰-CoA转化为乙酰乙酸 |
| Clostridium butyricum INCQS635 | 丁醇合成 | — | 3-羟基丁酰-CoA脱氢酶 (EC 1.1.1.157) | 催化 | NADPH依赖的脱氢反应 |
| Clostridium butyricum INCQS635 | 丁醇合成 | — | 丁酰-CoA脱氢酶 (EC 1.3.99.2) | 催化 | C. butyricum特有；C. acetobutylicum使用EC 1.3.8.1 |
| Clostridium butyricum INCQS635 | 丁醇合成 | — | 醛脱氢酶/醇脱氢酶 (EC 1.2.1.10) | 催化 | 可能具有双重功能，将丁醛转化为丁醇 |
| Clostridium butyricum INCQS635 | 乙醇合成 | — | 醛脱氢酶 (EC 1.2.1.3) | 催化 | 将乙酸转化为乙醛 |
| Clostridium butyricum INCQS635 | 乙醇合成 | — | 醇脱氢酶 (EC 1.1.1.1) | 催化 | 包含3个不同序列；催化乙醛转化为乙醇 |
| Clostridium acetobutylicum ATCC824 | 丁醇合成 | — | 醇脱氢酶 (EC 1.1.1.1) | 催化 | 关键酶，存在于质粒中 |
| Clostridium acetobutylicum ATCC824 | 丙酮合成 | amyP | 乙酰乙酸脱羧酶 (EC 4.1.1.4) | 催化 | 位于pSOL1 megaplasmid；RAST注释未能发现C. butyricum中该酶 |
关键发现
- C. butyricum INCQS635基因组大小为4,428,945 bp，包含5771个蛋白编码序列和87个RNA；碳水化合物子系统贡献达18%（C. butyricum 5521为20%，C. acetobutylicum ATCC824为15%）；编码CAZYmes的序列有672个（11.6%），其中GH家族占48%；发现31个GH家族，最丰富的GH53和GH16在三个基因组中分别占13%、11%和9%，最丰富的8个GH家族约占50%；GH13、GH39在C. butyricum中贡献高于C. acetobutylicum；丁醇合成途径中C. butyricum使用EC
- 3.99.2而C. acetobutylicum使用EC
- 3.8.1；乙醇合成途径两菌相似但醇脱氢酶不同；C. butyricum INCQS635在72h内产生超过1 g/L的丁酸；该菌株转化甘油为1,3-丙二醇的产量为0.56-0.57 g/g。
研究结论
C. butyricum INCQS635的基因组资源为改进溶剂生产提供了重要基础，该菌株具有利用富含半乳聚糖、纤维素、淀粉和几丁质等多糖的有机物生产生物燃料和化学品的潜力。