Enhanced production of 2,3-butanediol by overexpressing acetolactate synthase and acetoin reductase in Klebsiella pneumoniae
- 作者
- Xue-Wu Guo, Yun-Hui Zhang, Chun-Hong Cao, Tong Shen, Ming-Yue Wu, Ye-Fu Chen, Cui-Ying Zhang, Dong-Guang Xiao
- 单位
- School of Pharmaceutical Science and Technology, Tianjin University, Tianjin, People's Republic of China; Key Laboratory of Industrial Fermentation Microbiology, Ministry of Education, Tianjin, People's Republic of China; Tianjin Industrial Microbiology Key Laboratory, College of Biotechnology, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin, People's Republic of China
- 杂志
- Biotechnology and Applied Biochemistry（2014）
- DOI
- 10.1002/bab.1217
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
肺炎克雷伯氏菌（Klebsiella pneumoniae）作为工业2,3-丁二醇（2,3-BD）生产菌株，其2,3-BD产量仍有提升空间。本研究旨在通过过表达2,3-BD生物合成途径中的关键酶来增强碳通量、提高2,3-BD产量。
研究策略
利用pUC18K质粒在K. pneumoniae中单独或组合过表达α-乙酰乳酸合酶（ALS）、α-乙酰乳酸脱羧酶（ALDC）和乙偶姻还原酶（AR），通过电转化构建重组菌株，比较酶活、2,3-BD产量、副产物分布及NADH/NAD+比例，筛选最佳组合。
研究路线图
核心内容
本研究以肺炎克雷伯氏菌KG1为底盘，利用pUC18K质粒在2,3-丁二醇（2,3-BD）合成途径中单独或组合过表达α-乙酰乳酸合酶（ALS）、α-乙酰乳酸脱羧酶（ALDC）和乙偶姻还原酶（AR），通过电转化构建重组菌株，系统比较酶活、产物分布及NADH/NAD+比例。结果显示，同时过表达ALS和AR的重组菌株KG-rs效果最佳：葡萄糖批式发酵24小时2,3-BD产量达24.48 g/L，较亲本（21.84 g/L）提高12%，产率从0.33 g/g葡萄糖升至0.37 g/g；同时乳酸由4.78 g/L降至4.10 g/L，乙酸由2.53 g/L降至1.66 g/L，而乙醇升至5.32 g/L。KG-rs中ALS和AR活性分别提高1.37倍和1.61倍，且自12小时起NADH/NAD+比例显著高于亲本。在五种碳源测试中，除乳糖外KG-rs均表现优于亲本。研究表明，协同过表达ALS和AR可通过减少副产物生成并调节NADH再生实现碳流重分配，为工业上利用K. pneumoniae高效生产2,3-BD提供了可行策略。
创新点
['系统评价了ALS、ALDC和AR单独及组合过表达对K. pneumoniae 2,3-BD生产的影响', '发现同时过表达ALS和AR（KG-rs）能显著提高2,3-BD产量，且减少乳酸和乙酸等副产物', '验证了KG-rs突变株在多种碳源（葡萄糖、半乳糖、果糖、蔗糖）下均提高2,3-BD产量，仅乳糖例外']
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Klebsiella pneumoniae KG1 | 2,3-丁二醇生物合成途径（丙酮酸→α-乙酰乳酸→乙偶姻→2,3-丁二醇） | als | α-乙酰乳酸合酶 (ALS) | 催化 | GeneID: 5342277；KG-rs中ALS活性为野生型的1.37倍 |
| Klebsiella pneumoniae KG1 | 2,3-丁二醇生物合成途径（丙酮酸→α-乙酰乳酸→乙偶姻→2,3-丁二醇） | aldc | α-乙酰乳酸脱羧酶 (ALDC) | 催化 | GeneID: 5342278；单独过表达时ALDC活性为野生型的1.43倍 |
| Klebsiella pneumoniae KG1 | 2,3-丁二醇生物合成途径（丙酮酸→α-乙酰乳酸→乙偶姻→2,3-丁二醇） | ar | 乙偶姻还原酶 (AR) | 催化 | GeneID: 5338708；KG-rs中AR活性为野生型的1.61倍 |
关键发现
- KG-rs菌株（同时过表达ALS和AR）在葡萄糖批式发酵中2,3-BD产量比亲本菌株提高12%
- 24小时发酵中2,3-BD产量达24.48 g/L（亲本21.84 g/L），乙偶姻产量2.58 g/L，2,3-BD产率从0.33 g/g葡萄糖提高到0.37 g/g
- 乳酸产量从4.78 g/L降至4.10 g/L，乙酸从2.53 g/L降至1.66 g/L，乙醇从4.18 g/L升至5.32 g/L
- KG-rs中ALS活性提高1.37倍、AR活性提高1.61倍
- 在5种碳源中除乳糖外KG-rs的2,3-BD生产率和产量均高于亲本
- KG-rs的NADH/NAD+比例从12小时起显著高于亲本。
研究结论
同时过表达α-乙酰乳酸合酶（ALS）和乙偶姻还原酶（AR）可有效提高K. pneumoniae的2,3-丁二醇产量，通过减少乳酸和乙酸等副产物、调节NADH再生实现碳流重分配。该策略为工业上利用K. pneumoniae高效生产2,3-BD提供了可行方案。