Zymomonas mobilis for Fuel Ethanol and Higher Value Products
- 作者
- P. L. Rogers, Y. J. Jeon, K. J. Lee, H. G. Lawford
- 单位
- School of Biotechnology and Biomolecular Sciences, UNSW, 2052 Sydney, Australia; School of Biological Sciences, Seoul National University, 151-742 Seoul, Korea; Department of Biochemistry, University of Toronto, Toronto Ont., M5S 1A8, Canada
- 杂志
- Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology（2007）
- DOI
- 10.1007/10_2007_060
- 所属领域
- 代谢工程、发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
解决Zymomonas mobilis在燃料乙醇和高值产品生产中的底物谱窄、工业应用不足等问题，并探索其代谢工程潜力。
研究策略
综述了通过表达异源基因扩展底物范围（如木糖、阿拉伯糖）、基因组测序、代谢工程改造生产琥珀酸等，以及利用其酶进行生物转化。
核心内容
该综述系统总结了运动发酵单胞菌在燃料乙醇及高值化学品生产中的代谢工程研究进展。针对其底物谱窄、难以利用木质纤维素来源戊糖等瓶颈，研究者通过异源表达木糖异构酶、木酮糖激酶、转酮醇酶及转醛醇酶等基因构建了可共利用葡萄糖与木糖的重组菌株ZM4(pZB5)，该菌株在65 g/L葡萄糖加65 g/L木糖的培养基中48小时产乙醇超过60 g/L，产率达0.46 g/g；连续培养中最大乙醇生产率可达5 g/L/h。类似策略也被用于引入L-阿拉伯糖代谢途径。基因组测序显示其染色体大小为2,056,416 bp，含1998个开放阅读框，为系统代谢工程提供了基础。在化学品生产方面，通过失活丙酮酸脱羧酶和乳酸脱氢酶构建的琥珀酸工程菌株，产率达到1.73 mol/mol葡萄糖，为理论值的86%，显著高于其他生产菌株。此外，利用葡萄糖-果糖氧化还原酶可实现山梨醇与葡萄糖酸的高效联产。这些工作表明，运动发酵单胞菌凭借快速糖代谢和遗传可操作性，在木质纤维素燃料乙醇及高值化学品生产中具有广阔应用前景。
创新点
构建了能有效利用木糖和阿拉伯糖的重组菌株，整合型菌株，揭示了基因组特征，实现了琥珀酸高产，开发了基于PDC和GFOR的生物转化过程。
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Zymomonas mobilis ZM4(pZB5) | 戊糖磷酸途径/ED途径 | xylA | 木糖异构酶 | 催化 | 用于木糖利用，来自E. coli |
| Zymomonas mobilis ZM4(pZB5) | 戊糖磷酸途径/ED途径 | xylB | 木酮糖激酶 | 催化 | 用于木糖利用，来自E. coli |
| Zymomonas mobilis ZM4(pZB5) | 戊糖磷酸途径 | tktA | 转酮醇酶 | 催化 | 用于木糖利用，来自E. coli |
| Zymomonas mobilis ZM4(pZB5) | 戊糖磷酸途径 | talB | 转醛醇酶 | 催化 | 用于木糖利用，来自E. coli |
| Zymomonas mobilis (pZB206) | 阿拉伯糖代谢 | araA | L-阿拉伯糖异构酶 | 催化 | 用于阿拉伯糖利用，来自E. coli |
| Zymomonas mobilis (pZB206) | 阿拉伯糖代谢 | araB | L-核酮糖激酶 | 催化 | 用于阿拉伯糖利用，来自E. coli |
| Zymomonas mobilis (pZB206) | 阿拉伯糖代谢 | araD | L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶 | 催化 | 用于阿拉伯糖利用，来自E. coli |
| Zymomonas mobilis 琥珀酸工程菌 | 丙酮酸代谢/乙醇发酵 | pdc | 丙酮酸脱羧酶（失活） | 调控 | 敲除pdc以切断乙醇途径，促进琥珀酸积累 |
| Zymomonas mobilis 琥珀酸工程菌 | 乳酸代谢 | ldh | 乳酸脱氢酶（失活） | 调控 | 敲除ldh以减少副产物乳酸 |
| Zymomonas mobilis ZM4 | 山梨醇/葡萄糖酸生产 | gfor | 葡萄糖-果糖氧化还原酶 | 催化 | 偶联NADP，催化葡萄糖氧化和果糖还原 |
| Zymomonas mobilis ZM4 | 山梨醇/葡萄糖酸生产 | gluconolactonase | 葡糖酸内酯酶 | 催化 | 参与葡萄糖酸内酯水解 |
| Zymomonas mobilis (PDC生产者) | PAC生物合成 | pdc (PDC W392M) | 丙酮酸脱羧酶突变体 | 催化 | 具有增强的carboligase活性，用于R-PAC生产 |
| Zymomonas mobilis (重组菌株) | 木糖转运 | — | 木糖转运蛋白 | 转运 | 来自Xanthomonas albilineans，早期尝试但未能支持木糖生长 |
关键发现
['ZM4(pZB5)在65 g/L葡萄糖+65 g/L木糖培养基中48 h产乙醇>60 g/L，乙醇产率0.46 g/g。', '连续培养中，最大乙醇生产率可达5 g/L/h（细胞循环系统，D=0.1 h^-1，产率0.50 g/g）。', '木糖利用菌株在含50/50 g/L糖时，最大比生长速率0.26 h^-1，最大比糖摄取速率9.5 g/g/h，最大比乙醇产率4.5 g/g/h。', '琥珀酸工程菌株产率1.73 mol/mol葡萄糖（86%理论），比Actinobacillus succinogenes等高30%以上，生产率1.62 g/L/h。', '山梨醇生产：300 g/L葡萄糖+300 g/L果糖，15 h得到290 g/L山梨醇和283 g/L葡萄糖酸。', 'PAC生产：PDC突变体PDC W392M在膜反应器中，空间时间产率81 g/L/day，最终PAC 22 mM，摩尔产率45%。', '基因组大小2,056,416 bp，1998个ORF。', '抑制剂影响：乙酸钠10.9 g/L抑制最强，导致木糖利用率减少20%等。']
研究结论
Z. mobilis凭借快速高效糖代谢和遗传可操作性，在燃料乙醇（尤其是木质纤维素原料）及高值化学品生产中具有广阔前景，重组菌株和代谢工程策略可进一步提升其性能。