Upgrading dilute ethanol to odd-chain carboxylic acids by a synthetic co-culture of Anaerotignum neopropionicum and Clostridium kluyveri
- 作者
- Ivette Parera Olm, Diana Z. Sousa
- 单位
- Laboratory of Microbiology, Wageningen University & Research, Wageningen, The Netherlands; Centre for Living Technologies, Eindhoven-Wageningen-Utrecht Alliance, Utrecht, The Netherlands
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels and Bioproducts（2023）
- DOI
- 10.1186/s13068-023-02336-w
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
将合成气发酵产生的稀乙醇流升级为高价值的奇数链羧酸（如戊酸和庚酸），并克服现有链延长系统主要生产偶数链产物、缺乏高效OCCA生产途径的瓶颈。
研究策略
构建由Anaerotignum neopropionicum和Clostridium kluyveri组成的合成共培养体系：前者将乙醇和CO2转化为丙酸和乙酸，后者以乙醇为电子供体通过逆β-氧化将丙酸/乙酸链延长为奇数链/偶数链中链羧酸；通过血清瓶批量实验和连续搅拌釜反应器（CSTR）评估性能，并结合纯培养实验解析代谢特性。
核心内容
该研究构建了由Anaerotignum neopropionicum和Clostridium kluyveri组成的合成共培养体系，实现仅以乙醇和CO2为底物直接生产奇数链羧酸（戊酸、庚酸），无需外源丙酸。前者将乙醇和CO2转化为丙酸和乙酸，后者以乙醇为电子供体通过逆β-氧化将丙酸/乙酸链延长为奇数链/偶数链中链羧酸。血清瓶实验以50 mM乙醇为底物时主要产物为戊酸（5.4 mM），并产生丁酸、己酸及痕量庚酸。连续搅拌釜反应器中，乙醇转化率达96.6%，戊酸稳态浓度8.5 mM，OCCA摩尔特异性最高达37%；将pH从7升至7.3后，己酸、戊酸、庚酸最高浓度分别达46.4、26.5和12.0 mM。纯培养实验显示，C. kluyveri以丙酸为唯一电子受体时生长速率比乙酸低1.8倍，但乙酸共存可完全恢复，并发现该菌在奇数链延长中存在乙醇过度氧化现象。研究证明乙醇限制和适当提高pH可显著促进奇数链羧酸产量，该共培养系统有望与合成气发酵平台整合，实现稀乙醇向高值奇数链羧酸的升级转化。
创新点
['首次报道A. neopropionicum与C. kluyveri合成共培养直接从乙醇和CO2生产奇数链中链羧酸（戊酸、庚酸），无需外源丙酸。', '在连续生物反应器中实现从乙醇和CO2稳定生产C4-C7羧酸，并达到最高37%的OCCA摩尔特异性。', '发现C. kluyveri在奇数链延长中存在乙醇过度氧化现象，且丙酸对生长有抑制作用而乙酸可完全缓解。', '证明乙醇限制和pH调节（7→7.3）可显著促进奇数链羧酸产量。']
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Anaerotignum neopropionicum | 乙醇发酵产丙酸（丙烯酸途径） | — | — | 催化 | 利用乙醇和CO2产生丙酸和乙酸，为C. kluyveri提供链延长底物。 |
| Clostridium kluyveri | 逆β-氧化链延长 | — | — | 催化 | 以乙醇为电子供体，将乙酸/丙酸延长为丁酸/己酸或戊酸/庚酸。 |
关键发现
- 血清瓶共培养以50 mM乙醇为底物时，主要产物为戊酸（5.4±0.1 mM），并产生丁酸（4.0±0.1 mM）、己酸（1.6±0.1 mM）和痕量庚酸（<0.5 mM）。在连续培养中，ELR为3.1 g乙醇/L/d时乙醇转化率达96.6%，戊酸稳态浓度为8.5 mM，产率5.7 mmol/L/d，特异性25%；庚酸最高达6.5 mM，产率2.9 mmol/L/d（ELR
- 7 g/L/d）。将pH从7升至7.3后，记录到最高浓度：己酸46.4 mM、戊酸26.5 mM、庚酸12.0 mM。纯培养实验显示，A. neopropionicum在50 mM乙醇时最大比生长速率μ_max=0.103±0.003 h^-1，可耐受300 mM乙醇；C. kluyveri以丙酸为唯一电子受体时生长速率比乙酸低1.8倍（μ=0.071±0.002 vs
- 122±0.003 h^-1），但乙酸共存时可恢复正常生长速率（0.109±0.007 h^-1）。此外，即使乙醇:丙酸=1.2（理论化学计量），偶数链产物仍占27%（理论值16.7%），表明C. kluyveri在奇数链延长中过度氧化乙醇生成乙酸。
研究结论
本研究证明A. neopropionicum与C. kluyveri合成共培养能够仅以乙醇和CO2为底物生产奇数链羧酸（戊酸、庚酸）。在连续反应器中，该共培养可耐受至少300 mM乙醇，OCCA特异性最高达37%。控制乙醇利用（限制电子供体）和适当提高pH可进一步提高OCCA产率。C. kluyveri纯培养实验揭示了丙酸对生长的抑制作用及乙酸的缓解效应，并发现其过度氧化乙醇以应对丙酰辅酶A毒性的可能机制。该共培养系统有望与合成气发酵平台整合，实现稀乙醇向OCCAs的升级转化。