Evaluation of engineered low-lignin poplar for conversion into advanced bioproducts
- 作者
- Chien-Yuan Lin, Gina M. Geiselman, Di Liu, Harsha D. Magurudeniya, Alberto Rodriguez, Yi-Chun Chen, Venkataramana Pidatala, Faride Unda, Bashar Amer, Edward E. K. Baidoo, Shawn D. Mansfield, Blake A. Simmons, Seema Singh, Henrik V. Scheller, John M. Gladden, Aymerick Eudes
- 单位
- DOE Joint BioEnergy Institute, Emeryville, CA 94608, USA; Environmental Genomics and Systems Biology Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA; Department of Biomaterials and Biomaufacturing, Sandia National Laboratories, Livermore, CA 94550, USA; DOE, Agile BioFoundry, Emeryville, CA 94608, USA; Biological Systems and Engineering Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA; Department of Wood Science, University of British Columbia, Vancouver, BC, Canada; DOE Great Lakes Bioenergy Research Center, Wisconsin Energy Institute, Madison, WI 53726, USA; Department of Bioresources and Environmental Security, Sandia National Laboratories, Livermore, CA 94550, USA; Department of Plant and Microbial Biology, University of California, Berkeley, CA 94720, USA
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels（2022）
- DOI
- 10.1186/s13068-022-02245-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
木质素是造成木质纤维素生物质顽固性的主要因素，限制了纤维素和半纤维素向可发酵糖的高效转化。本研究旨在评估低木质素转基因杨树（表达QsuB）在离子液体预处理、酶解糖化及下游微生物发酵生产高价值生物产品中的性能。
研究策略
利用表达细菌3-脱氢莽草酸脱水酶（QsuB）的转基因杨树，将代谢流从木质素前体转向3,4-二羟基苯甲酸（DHB）积累以降低木质素含量；然后使用胆碱赖氨酸离子液体（[Ch][Lys]）预处理和水解，获得富含糖和芳香族化合物的水解液；再利用工程化红冬孢酵母（Rhodosporidium toruloides）菌株（GB2、EIZS2、maquFOH）发酵生产α-红没药烯、表-异矛萜烯和脂肪醇。
核心内容
该研究系统评估了表达细菌3-脱氢莽草酸脱水酶（QsuB）的低木质素转基因杨树在离子液体预处理、酶解糖化及下游微生物发酵生产高价值生物产品中的全链条性能。通过将代谢流从木质素前体转向3,4-二羟基苯甲酸（DHB）积累，QsuB-1株系木质素含量降低16%–25%，DHB含量达7.7–10.1 mg/g干重。在稀碱预处理糖化中，QsuB-1葡萄糖释放增加28%–105%，木糖增加47%–218%。采用胆碱赖氨酸离子液体预处理后，利用工程化红冬孢酵母菌株发酵生产α-红没药烯、表-异矛萜烯和脂肪醇。在20%高固载、140°C/3h的较剧烈预处理条件下，QsuB杨树水解液使三种生物产品产量提升15%–58%，其中α-红没药烯产量从野生型的730 mg/L提高23%，脂肪醇从约55 mg/L提高58%。此外，水解液中高达约1.6 g/L的DHB可被酵母代谢利用，对产物合成有积极贡献。结果表明，低木质素杨树结合离子液体预处理和工程化酵母发酵可显著提高可发酵糖及生物产品效价，为喷气燃料前体和脂肪醇等高级生物产品的生产提供了可行策略。
创新点
['首次系统评估QsuB低木质素杨树在下游集成转化流程中的性能，涵盖离子液体预处理、糖化和微生物发酵全链条。', '发现QsuB杨树水解液中DHB（高达约1.6 g/L）可被R. toruloides代谢利用，并通过香草酸（VA）增加等芳香族谱变化，对产物合成有积极贡献。', '在20%高固载和140°C/3h较剧烈预处理条件下，QsuB杨树水解液使三种生物产品产量提升15%-58%。']
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 杨树（Populus alba × grandidentata P39） | 莽草酸途径/木质素生物合成 | QsuB | 3-脱氢莽草酸脱水酶 | 催化 | 来自细菌，将3-脱氢莽草酸转化为3,4-二羟基苯甲酸（DHB），减少木质素前体苯丙氨酸，降低木质素含量并积累DHB。 |
| 红冬孢酵母（Rhodosporidium toruloides GB2） | 甲羟戊酸途径（萜类合成） | α-bisabolene synthase | α-红没药烯合酶 | 催化 | 植物来源，催化法尼基焦磷酸（FPP）合成α-红没药烯。 |
| 红冬孢酵母（Rhodosporidium toruloides EIZS2） | 甲羟戊酸途径（萜类合成） | epi-isozizaene synthase | 表-异矛萜烯合酶 | 催化 | 细菌来源，催化FPP合成高能量密度三环倍半萜烯表-异矛萜烯。 |
| 红冬孢酵母（Rhodosporidium toruloides maquFOH） | 脂肪酸生物合成途径 | maquFOH | 脂肪酰基-CoA还原酶 | 催化 | 来自Marinobacter aquaeolei（推测），催化脂肪酰基-CoA还原为脂肪醇。 |
| 红冬孢酵母（Rhodosporidium toruloides） | DHB降解途径（芳香族化合物代谢） | — | — | 能量供给 | 内源的邻位断裂（intradiol 3,4-cleavage）途径将DHB转化为琥珀酰-CoA和乙酰-CoA，进入TCA循环，为产物合成提供前体和能量。 |
关键发现
- 与野生型相比，QsuB-1杨树木质素含量在两次收获中分别降低16%和25%，QsuB-15降低11%和17%，QsuB-5不变
- DHB含量在QsuB-1中达7.7和10.1 mg/g干重（WT 0.01 mg/g），QsuB-15为3.1和5.3 mg/g。稀碱预处理糖化中，QsuB-1葡萄糖释放增加28%和105%，木糖增加47%和218%
- QsuB-15葡萄糖增加10%和56%，木糖增加35%和77%。小规模离子液体预处理（4%固载）下，QsuB-1水解液葡萄糖和木糖分别增加21%和36%，QsuB-15分别增加14%和19%
- α-红没药烯产量在QsuB-1和QsuB-15水解液中分别提高45%和37%。大规模（20%固载）预处理后，葡萄糖和木糖分别增加17-24%和16-28%
- α-红没药烯产量从WT的730 mg/L提高23%（QsuB-1）和15%（QsuB-15）
- 表-异矛萜烯从WT的430 mg/L提高23-27%
- 脂肪醇从WT的约55 mg/L提高24%（QsuB-1）、34%（QsuB-5）和58%（QsuB-15）。
研究结论
QsuB低木质素杨树与离子液体预处理、酶解糖化及工程化R. toruloides发酵相结合，可显著提高可发酵糖和生物产品效价，表明该策略有潜力改善高级生物产品（如喷气燃料前体和脂肪醇）的生产。