Direct Conversion of Xylan to Butanol by a Wild-Type Clostridium Species Strain G117
- 作者
- Yu Yan, Anindya Basu, Tinggang Li, Jianzhong He
- 单位
- Department of Civil and Environmental Engineering, National University of Singapore
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（2016）
- DOI
- 10.1002/bit.25940
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
木质纤维素生物质（尤其是木聚糖）难以被直接发酵利用，传统ABE发酵产生丙酮等副产物导致下游分离成本高。
研究策略
利用野生型Clostridium sp. G117直接以木聚糖为唯一碳源发酵产丁醇，结合单因素和响应面法优化发酵条件，并通过RT-PCR和qPCR分析丙酮合成相关基因表达。
研究路线图
核心内容
该研究首次报道野生型梭菌Clostridium sp. G117能以木聚糖为唯一碳源直接发酵产丁醇，无需额外酶解预处理。研究者结合单因素和响应面法优化发酵条件，并通过RT-PCR和qPCR比较了木聚糖与木糖培养下丙酮合成相关基因的表达差异。结果表明，以60 g/L木聚糖为底物时，丁醇产量为0.86±0.07 g/L，同时产氢53.4 mL（占气体总量42.4%），且几乎不产生丙酮，使得丁醇成为唯一溶剂产物。经响应面优化后丁醇产量提升至1.24±0.37 g/L。以木糖和低聚木糖为底物时丁醇产量分别达6.03 g/L和2.94 g/L，其中低聚木糖发酵的丁醇/丙酮比高达11.76。转录分析显示，木聚糖培养中adc和ctfB2基因表达显著低于木糖培养，解释了丙酮合成的抑制。该工作为简化ABE发酵下游分离、实现经济的一步法生物丁醇生产提供了可行路径。
创新点
首次报道野生型菌株直接以木聚糖为唯一碳源生产丁醇；发酵木聚糖时几乎不产生丙酮，丁醇成为唯一溶剂产物，简化分离；同时产氢。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium sp. strain G117 | 木聚糖降解 | endo-1,4-β-xylanase | endo-1,4-β-xylanase | 催化 | 水解木聚糖主链β-1,4-糖苷键 |
| Clostridium sp. strain G117 | 木聚糖降解 | β-D-xylosidase | β-D-xylosidase | 催化 | 水解木二糖及短链低聚木糖的非还原端，释放木糖 |
| Clostridium sp. strain G117 | 木聚糖降解 | α-glucuronidase | α-glucuronidase | 催化 | 水解木聚糖侧链α-1,2-糖苷键连接的葡萄糖醛酸 |
| Clostridium sp. strain G117 | 木聚糖降解 | acetylxylan esterase | acetylxylan esterase | 催化 | 水解木聚糖侧链O-乙酰基 |
| Clostridium sp. strain G117 | 木聚糖降解 | α-arabinofuranosidase | α-arabinofuranosidase | 催化 | 水解木聚糖侧链α-L-阿拉伯呋喃糖 |
| Clostridium sp. strain G117 | 丙酮合成 | adc | acetoacetate decarboxylase | 催化 | 将乙酰乙酸脱羧转化为丙酮；木聚糖培养时表达下调 |
| Clostridium sp. strain G117 | 丙酮合成 | ctfA | CoA transferase subunit A | 催化 | 将乙酰乙酰-CoA转化为乙酰乙酸；木聚糖与木糖培养时表达相当 |
| Clostridium sp. strain G117 | 丙酮合成 | ctfB1 | CoA transferase subunit B1 | 催化 | 与CtfA共同催化CoA转移；木聚糖与木糖培养时表达相当 |
| Clostridium sp. strain G117 | 丙酮合成 | ctfB2 | CoA transferase subunit B2 | 催化 | 与CtfA共同催化CoA转移；木聚糖培养时表达显著下调 |
| Clostridium sp. strain G117 | 丁醇合成 | adhE1 | aldehyde/alcohol dehydrogenase 1 | 催化 | 将丁酰-CoA转化为丁醛，进一步还原为丁醇；木聚糖与木糖培养时表达相当 |
| Clostridium sp. strain G117 | 丁醇合成 | adhE2 | aldehyde/alcohol dehydrogenase 2 | 催化 | 与AdhE1同功，参与丁醇生成；木聚糖与木糖培养时表达相当 |
关键发现
- 野生型Clostridium sp. G117能以60 g/L木聚糖为唯一碳源直接生产丁醇（0.86±0.07 g/L）和氢气（53.4±0.05 mL），氢气占气体总量42.4±1.4%
- 经响应面优化后丁醇产量提高至1.24±0.37 g/L
- 以60 g/L木糖为底物时丁醇产量为6.03 g/L，底物利用率66.67%，丁醇/丙酮比1.67±0.53
- 以60 g/L低聚木糖为底物时丁醇2.94 g/L，底物利用率28.3%，丁醇/丙酮比高达11.76±3.58，丁醇产率0.16 g/g
- 木聚糖发酵中丁酸积累4.4 g/L，几乎不产丙酮
- 转录分析显示木聚糖培养中adc和ctfB2表达较木糖培养显著下调，adhE12表达相当。
研究结论
野生型Clostridium sp. G117能够直接转化木聚糖为丁醇，且抑制丙酮产生，简化下游分离，为经济的一步法生物丁醇生产提供可能。