Improved strains of recombinant Escherichia coli for ethanol production from sugar mixtures
- 作者
- S.E. Lindsay, R.J. Bothast, L.O. Ingram
- DOI
- 10.1007/BF00170625
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
半纤维素水解产物含有己糖和戊糖混合物，重组大肠杆菌KO11优先发酵己糖，导致木糖发酵缓慢或不完全，需要改进菌株以高效发酵混合糖中的戊糖。
研究策略
使用磷霉素筛选KO11的突变体，获得无法通过PTS转运己糖但保留戊糖转运能力的葡萄糖阴性突变体（SL31、SL142），以及保留全部糖代谢能力且乙醇产量更高的超产菌株（SL28、SL40）；并探索先由大肠杆菌发酵混合糖、再加入酵母发酵葡萄糖的两阶段顺序发酵。
核心内容
针对重组大肠杆菌KO11优先利用己糖、导致混合糖中木糖发酵缓慢的问题，该研究用磷霉素筛选获得两类突变体：一类为PTS缺陷的葡萄糖阴性突变体（SL31、SL142），保留戊糖转运及发酵能力但无法利用葡萄糖；另一类为保留全部糖代谢能力的乙醇超产突变体（SL28、SL40）。在120 g/L木糖中，SL28和SL40于60 h内产生约60 g/L乙醇，较亲本KO11产量提高20%；在含葡萄糖、阿拉伯糖、木糖各30 g/L的混合糖发酵中，SL40乙醇浓度达45 g/L（接近100%理论产率），明显优于KO11的41 g/L（91%理论产率）。此外，两阶段顺序发酵中，SL40先发酵混合糖72 h使残糖低于1 g/L，再加入酵母转化葡萄糖，24 h内达到约90%理论产率。结果表明磷霉素筛选能有效改良菌株混合糖发酵性能，SL40与SL28兼具高产量和速率优势，而葡萄糖阴性突变体适合戊糖优先发酵，两阶段工艺结合了大肠杆菌戊糖利用能力与酵母乙醇耐受性，具有工业应用潜力。
创新点
首次用磷霉素筛选获得选择性发酵戊糖的PTS缺陷型重组大肠杆菌；获得乙醇产量和速率优于亲本的超产突变体；提出大肠杆菌与酵母顺序发酵的两阶段工艺。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli KO11 (重组E. coli B ATCC11303) | 乙醇发酵途径 | pdc, adhB | 丙酮酸脱羧酶, 乙醇脱氢酶II | 催化 | 来自Zymomonas mobilis的乙醇产途径基因，整合于染色体 |
| Escherichia coli SL31 | 混合糖发酵 | ptsH 或 ptsI（推测突变） | PTS系统组分 | 转运 | 葡萄糖阴性突变体，保留阿拉伯糖和木糖发酵能力，PTS功能缺失 |
| Escherichia coli SL142 | 混合糖发酵 | ptsH 或 ptsI（推测突变） | PTS系统组分 | 转运 | 葡萄糖阴性突变体，与SL31类似，木糖生长更好 |
| Escherichia coli SL28 | 乙醇发酵途径 | glpT, uhpT（推测突变） | 甘油-3-磷酸透性酶, 己糖磷酸透性酶 | 转运 | 高产菌株，保留PTS功能，丧失糖磷酸摄取，乙醇产量高于KO11 |
| Escherichia coli SL40 | 乙醇发酵途径 | glpT, uhpT（推测突变） | 甘油-3-磷酸透性酶, 己糖磷酸透性酶 | 转运 | 高产菌株，发酵混合糖接近理论产率，乙醇产量60 g/L（120 g/L木糖中） |
| Saccharomyces cerevisiae (商业干酵母 Fermol) | 糖酵解和乙醇发酵 | — | — | 催化 | 用于顺序发酵第二步，添加葡萄糖发酵产生乙醇 |
关键发现
- SL28和SL40在120 g/L木糖中60 h内产生60 g/L乙醇，比KO11高20%
- 混合糖（葡萄糖、阿拉伯糖、木糖各30 g/L）发酵中，SL40最大乙醇45 g/L，接近100%理论产率，KO11为41 g/L（91%理论产率）
- SL31和SL142保留阿拉伯糖和木糖发酵能力，不能利用葡萄糖
- 顺序发酵中，SL40发酵混合糖72 h后剩余糖<1 g/L，加入37 g/L葡萄糖和2 g/L酵母后24 h内葡萄糖转化乙醇约90%理论产率。
研究结论
磷霉素筛选获得的大肠杆菌突变体可提高混合糖发酵效率，其中SL40和SL28优于亲本；葡萄糖阴性突变体可用于戊糖优先发酵；两阶段顺序发酵策略结合了大肠杆菌的戊糖利用能力和酵母的高乙醇耐受性，具有工业应用前景。