Metabolic engineering of Clostridium acetobutylicum M5 for highly selective butanol production

作者: Jin Young Lee, Yu-Sin Jang, Joungmin Lee, Eleftherios Terry Papoutsakis, Sang Yup Lee
单位: Metabolic and Biomolecular Engineering National Research Laboratory, Department of Chemical and Biomolecular Engineering (BK21 Program), BioProcess Engineering Research Center, Center for Systems and Synthetic Biotechnology, Institute for the BioCentury, KAIST, Daejeon, Republic of Korea; Department of Bio and Brain Engineering and Bioinformatics Research Center, KAIST, Daejeon, Republic of Korea; Department of Chemical Engineering and the Delaware Biotechnology Institute, University of Delaware, Newark, DE, USA
杂志: Biotechnology Journal（2009）
DOI: 10.1002/biot.200900142
所属领域: 代谢工程
关键词: Aldehyde/alcohol dehydrogenaseButanolClostridium acetobutylicumCoenzyme A transferaseTrade-off curve analysis
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解决的核心问题

提高丁醇选择性，降低丙酮等副产物生成，以降低生物丁醇的分离成本。

研究策略

利用丧失pSOL1大质粒的丙酮丁醇梭菌M5突变株，通过质粒pIMP1E1AB共表达adhE1和ctfAB基因，重建丁醇合成途径，实现高选择性丁醇生产。

研究路线图

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核心内容

本研究利用丧失pSOL1大质粒的丙酮丁醇梭菌M5突变株作为底盘，通过质粒pIMP1E1AB共表达adhE1和ctfAB基因，重建丁醇合成途径，以实现高选择性丁醇生产。在pH 5.5条件下，工程菌M5(pIMP1E1AB)的丁醇产量达到154.1 mM，而丙酮仅9.9 mM，丁醇占总溶剂的摩尔比达0.84，显著高于野生型ATCC 824在pH 5.0和pH 5.5下的0.57和0.61。值得注意的是，工程菌积累大量乙酸（226.8 mM），通量平衡分析表明乙酸的过量生成是细胞为补偿丁醇合成途径中ATP不足而做出的代谢响应。该策略首次在无pSOL1的M5菌株中实现adhE1与ctfAB的共表达，有效减少了丙酮副产物，降低了生物丁醇的分离成本，为高选择性丁醇生产提供了一条可行的代谢工程路径。

创新点

首次在无pSOL1的M5菌株中共表达adhE1-ctfAB，显著提高了丁醇与总溶剂的比例（丁醇选择性），并利用基因组规模代谢模型和权衡曲线分析解释代谢行为。

研究对象（3）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Clostridium acetobutylicum M5	丁醇合成/ABE溶剂生成途径	adhE1	Aldehyde/alcohol dehydrogenase (AdhE1)	催化	编码双功能乙醛/丁醛脱氢酶和乙醇/丁醇脱氢酶，催化丁醇合成
Clostridium acetobutylicum M5	丙酮合成途径	ctfAB	CoA transferase (CtfAB)	催化	编码辅酶A转移酶，催化乙酸/丁酸与乙酰乙酰CoA之间的CoA转移，生成乙酰CoA和丁酰CoA，同时产生乙酰乙酸
Clostridium acetobutylicum ATCC 824	ABE溶剂生成途径	adc	Acetoacetate decarboxylase (AADC)	催化	位于pSOL1质粒上，催化乙酰乙酸脱羧生成丙酮；M5菌株缺失该基因

关键发现

构建的M5(pIMP1E1AB)菌株在pH
5下丁醇产量达154.1 mM，丙酮仅9.9 mM，丁醇选择性（丁醇/总溶剂摩尔比）为0.84，远高于野生型ATCC 824的0.57（pH
0）和0.61（pH
5）；与ATCC 824相比，工程菌积累大量乙酸（226.8 mM），FBA表明乙酸生成增加以补偿丁醇合成导致的ATP不足。

研究结论

在无pSOL1的M5菌株中共表达adhE1和ctfAB是提高丁醇选择性的有效策略，乙酸积累是细胞补偿ATP产生的代谢响应。