Improvement of 1,3-propanediol production from crude glycerol by co-cultivation of anaerobic and facultative microbes under non-strictly anaerobic conditions
- 作者
- Yaqin Sun, Lingyun Liang, Yafeng Zheng, Jindong Han, Zhilong Xiu
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels（2022）
- DOI
- 10.1186/s13068-022-02143-9
- 所属领域
- 合成生物学；发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何在微好氧条件下，利用合成微生物菌群高效地将粗甘油转化为1,3-丙二醇，解决严格厌氧菌丁酸梭菌对氧敏感、无法在非严格厌氧条件下生长的问题。
研究策略
构建由严格厌氧菌丁酸梭菌DUT1与兼性菌肺炎克雷伯氏菌DUT2和/或大肠杆菌DUT3组成的合成微生物共培养体系，利用兼性菌消耗氧气为丁酸梭菌创造厌氧环境，并通过控制初始接种比例（CB至少85%）实现菌群稳态，从而在微好氧条件下高效生产1,3-丙二醇。
核心内容
本研究构建了包含严格厌氧菌丁酸梭菌DUT1与兼性菌肺炎克雷伯氏菌DUT2和/或大肠杆菌DUT3的合成微生物共培养体系，旨在微好氧条件下将粗甘油高效转化为1,3-丙二醇（1,3-PDO）。兼性菌通过消耗氧气为丁酸梭菌创造厌氧微环境，同时与丁酸梭菌竞争甘油底物，形成共生与竞争并存的互作机制。研究发现，保持丁酸梭菌初始丰度不低于85%是实现菌群稳态和高产的关键。批次发酵中，丁酸梭菌与肺炎克雷伯氏菌共培养（初始丰度比为92.5:7.5）获得最大1,3-PDO浓度52.08 g/L，产率0.49 g/g，生产速率1.80 g/(L·h)，较严格厌氧条件下丁酸梭菌单培养分别提高10%、9%和12%。补料分批发酵中，三菌共培养在0.02 vvm氮气供应下获得77.68 g/L的1,3-PDO，比单培养高30%。该合成菌群策略有效克服了严格厌氧菌的氧敏感性，为低氮气供应条件下高效生产1,3-PDO提供了可行途径。
创新点
首次构建了包含严格厌氧菌和兼性菌的合成微生物共培养体系，在微好氧条件下实现1,3-PDO高产；揭示了兼性菌耗氧和与丁酸梭菌竞争甘油的互作机制（共生与竞争）；通过动态丰度分析证明CB初始丰度≥85%是高效生产的关键。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium butyricum DUT1 | 甘油还原途径（甘油→3-羟基丙醛→1,3-丙二醇） | — | — | 催化 | 严格厌氧菌，1,3-PDO主要生产菌，在微好氧条件下需要兼性菌耗氧创造厌氧环境 |
| Klebsiella pneumoniae DUT2 | 甘油代谢途径（1,3-PDO及乳酸、乙酸、乙醇等副产物） | — | — | 调控 | 兼性菌，消耗氧并为CB创造厌氧环境；同时与CB竞争甘油，本身也可产1,3-PDO但能力弱于CB；不产2,3-丁二醇 |
| Escherichia coli DUT3 | 呼吸链/糖酵解（耗氧） | — | — | 调控 | 兼性菌，不产1,3-PDO，但耗氧速度快于KP，能快速建立厌氧环境；在CB:EC共培养中使CB保持高丰度 |
关键发现
- 在批次发酵中，合成CB:KP共培养（初始丰度比92.5:7.5）获得最大1,3-PDO浓度52.08 g/L，产率0.49 g/g，生产速率1.80 g/(L·h)，相比严格厌氧下CB单培养分别提高10%、9%和12%
- 相比KP单培养分别提高16%、19%和84%。在补料分批发酵中，合成CB:KP:EC共培养在0.02 vvm N2供应下获得最大1,3-PDO浓度77.68 g/L，产率0.51 g/g，比CB单培养（0.02 vvm）高30%
- 在0.2 vvm N2下获得81.39 g/L，但产率降至0.49 g/g。代谢通量分析显示，CB:KP:EC共培养中1,3-PDO通量最高达49.17%，丁酸、乙酸、乳酸、乙醇、琥珀酸通量分别为7.43%、5.77%、3.15%、4.24%、2.13%。动态丰度表明，CB:KP共培养在5 h内KP丰度从7.5%增至28.81%，CB降至71.19%，之后CB在10 h恢复至87.17%，14 h达93.41%
- CB:EC共培养中EC丰度从7.50%降至15 h的0.83%，CB增至99.17%。自然菌群DUT08长期保存后C. butyricum丰度从85.25%降至60.48%，K. pneumoniae从0.007%增至38.64%，E. coli从12.54%降至0.41%。
研究结论
通过构建由严格厌氧菌和兼性菌组成的合成微生物菌群，在微好氧条件下成功实现了粗甘油高效生产1,3-丙二醇。兼性菌（KP和EC）消耗氧气为丁酸梭菌创造厌氧环境，同时与CB竞争甘油，这种共生与竞争互作使菌群在低氮气供应下仍能高效产1,3-PDO。保持CB初始丰度≥85%是获得高产的关键。该合成菌群策略为克服严格厌氧菌的氧敏感性和提高1,3-PDO生产提供了有效途径。