Metabolic engineering of Clostridium tyrobutyricum for n-butanol production through co-utilization of glucose and xylose
- 作者
- Le Yu, Mengmeng Xu, I-Ching Tang, Shang-Tian Yang
- 单位
- William G. Lowrie Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The Ohio State University, 151 West Woodruff Ave., Columbus, Ohio 43210, USA; Bioprocessing Innovative Company, 4734 Bridle Path Ct., Dublin, OH 43017, USA
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（2015）
- DOI
- 10.1002/bit.25613
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
Clostridium tyrobutyricum中葡萄糖介导的碳分解代谢物阻抑（CCR）阻碍木质纤维素水解液中木糖的有效利用，导致底物利用不完全和丁醇产量低。
研究策略
在C. tyrobutyricum(Δack)中共过表达来自C. acetobutylicum的木糖代谢基因xylT（木糖质子共转运体）、xylA（木糖异构酶）、xylB（木酮糖激酶）及醛/醇脱氢酶基因adhE2，构建重组菌株Ct(Δack)-pTBA，增强木糖转运和初始代谢，解除CCR，实现葡萄糖和木糖同步利用。
研究路线图
核心内容
针对Clostridium tyrobutyricum中葡萄糖介导的碳分解代谢物阻抑（CCR）导致木糖利用受限的问题，本研究在敲除乙酸激酶（Δack）的底盘菌株中共过表达来自C. acetobutylicum的木糖转运及代谢基因xylT、xylA、xylB以及醛/醇脱氢酶基因adhE2，构建重组菌株Ct(Δack)-pTBA。该策略在不破坏CcpA等全局调控因子的前提下强化木糖摄取和初始代谢，有效解除了CCR。在葡萄糖-木糖混合发酵中，重组菌能以相似速率（葡萄糖1.03 g/L·h，木糖1.05 g/L·h）同步消耗两种糖，木糖总消耗率达87.3%，而对照仅10.6%；丁醇产量从3.2 g/L提高到12.0 g/L，得率和生产力分别提升至0.12 g/g和0.17 g/L·h。在大豆壳水解液中，添加500 μM甲基紫精后丁醇产量达15.7 g/L，得率0.24 g/g。该研究证明了强化木糖转运和代谢关键步骤即可破除CCR，为利用木质纤维素原料生产生物丁醇提供了可行途径。
创新点
['首次在C. tyrobutyricum中通过异源表达xylT、xylA、xylB与adhE2，实现葡萄糖和木糖的同步高效共利用，显著减轻CCR。', '在无需破坏CcpA或PTS等全局调控因子的情况下，仅强化木糖转运和代谢关键步骤即可破除CCR。', '在大豆壳水解液（SHH）中实现高丁醇产量（15.7 g/L），展示了利用廉价木质纤维素原料的工业潜力。']
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium tyrobutyricum ATCC 25755 (Δack) | 丁醇合成途径 | adhE2 | 醛/醇脱氢酶 | 催化 | 来自C. acetobutylicum ATCC 824，催化丁酰-CoA转化为丁醇，在Ct(Δack)-pTBA中组成型表达 |
| Clostridium tyrobutyricum ATCC 25755 (Δack) | 木糖代谢途径 | xylT (CAC1345) | 木糖质子共转运体 | 转运 | 来自C. acetobutylicum ATCC 824，负责木糖跨膜转运 |
| Clostridium tyrobutyricum ATCC 25755 (Δack) | 木糖代谢途径 | xylA (CAC2610) | 木糖异构酶 | 催化 | 来自C. acetobutylicum ATCC 824，催化木糖异构化为木酮糖 |
| Clostridium tyrobutyricum ATCC 25755 (Δack) | 木糖代谢途径 | xylB (CAC2612) | 木酮糖激酶 | 催化 | 来自C. acetobutylicum ATCC 824，催化木酮糖磷酸化为木酮糖-5-磷酸 |
| Clostridium tyrobutyricum ATCC 25755 | 乙酸合成途径 | ack | 乙酸激酶 | 催化 | 敲除此基因以阻断乙酸生成，增加丁酸/丁醇代谢通量 |
关键发现
- 与仅表达adhE2的Ct(Δack)-pM2相比，Ct(Δack)-pTBA在葡萄糖-木糖混合发酵中木糖消耗率更高，能同时以相似速率（葡萄糖1.03 g/L·h，木糖1.05 g/L·h）消耗两种糖，木糖总消耗率达87.3%（对照仅10.6%）。Ct(Δack)-pTBA的丁醇产量从3.2 g/L提高到12.0 g/L（提高275%），丁醇得率从0.07 g/g提高到0.12 g/g，生产力从0.07 g/L·h提高到0.17 g/L·h。在SHH中，Ct(Δack)-pTBA木糖消耗率为1.21 g/L·h，木糖消耗92.7%，但丁醇产量8.1 g/L（得率0.10 g/g）
- 添加500 μM甲基紫精后丁醇产量达15.7 g/L，得率0.24 g/g，生产力0.29 g/L·h。不同葡萄糖:木糖比例（3:1至1:2）下均能共利用，木糖摄取速率随木糖比例增加从0.14 g/L·h升至0.45 g/L·h。
研究结论
过表达xylT、xylA和xylB能有效解除C. tyrobutyricum中葡萄糖介导的碳分解代谢物阻抑，实现葡萄糖和木糖的同步高效利用，显著提高丁醇产量。Ct(Δack)-pTBA可利用大豆壳水解液等木质纤维素原料，具有工业生物丁醇生产潜力。