高级醇 · 代谢工程文献库

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Engineered Thermoanaerobacterium aotearoense with nfnAB knockout for improved hydrogen production from lignocellulose hydrolysates

作者
Yang Li, Jialei Hu, Chunyun Qu, Lili Chen, Xiaolong Guo, Hongxin Fu, Jufang Wang
单位
School of Biology and Biological Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China; State Key Laboratory of Pulp and Paper Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China
杂志
Biotechnology for Biofuels（2019）
DOI
10.1186/s13068-019-1559-8
所属领域
代谢工程
关键词
BiohydrogenLignocellulose hydrolysateMetabolic engineeringNfnABThermoanaerobacterium aotearoense SCUT27
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解决的核心问题

木质纤维素水解液产氢效率低，需要代谢工程改造提高产氢量，并实现非灭菌条件下的高效利用。

研究策略

通过同源重组敲除T. aotearoense SCUT27中的nfnAB基因，阻断NADH向NADPH的电子转移，提高胞内NADH/NAD+比例，将更多还原力导向氢气生成；评估多种稀酸预处理木质纤维素水解液及非灭菌条件下的产氢性能。

研究路线图

100%
木质纤维素水解液产氢效率低，需代谢工程改造
同源重组敲除nfnAB基因，提高NADH/NAD+比例
构建SCUT27/ΔnfnAB突变株（阻断NADH→NADPH电子流）
多种碳源与稀酸预处理水解液测试
氢气产量提高38.7%~43.8%（葡萄糖/木糖/混合糖）
乙醇↑13.24%、乳酸↓11.88%、NADH/NAD+↑21.87%
非灭菌水解液产氢190~209 mmol/L，产率1.66~1.77 mol/mol
结论：nfnAB敲除重塑电子流，SCUT27/ΔnfnAB是优良产氢菌株
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核心内容

该研究通过同源重组敲除嗜热厌氧菌Thermoanaerobacterium aotearoense SCUT27中的nfnAB基因，阻断NADH向NADPH的电子转移，以提高胞内NADH/NAD+比例并将更多还原力导向产氢途径。以葡萄糖为碳源时，突变株氢气产量提高41.1%，乙醇产量提高13.2%，乳酸产量降低11.9%，NADH/NAD+比值在6小时时比野生型高21.9%。以木糖及葡萄糖/木糖混合物为碳源时，氢气产量分别提高43.8%和38.7%。进一步评估六种稀酸预处理木质纤维素水解液，突变株氢产率比野生型提高34.8%至43.8%，其中玉米芯水解液最高达1.65 mol/mol。在非灭菌稻草和玉米芯水解液中，突变株产氢量达190.63至209.31 mmol/L，生产力为12.71至13.95 mmol/L/h。结果表明nfnAB缺失通过改变电子流方向有效提升了氢产量，且SCUT27/ΔnfnAB能在非灭菌条件下高效利用多种木质纤维素水解液产氢，是生物制氢的优良候选菌株，为木质纤维素生物制氢的工业化应用提供了可行方案。

创新点

首次在T. aotearoense中研究nfnAB缺失对终产物形成的影响；发现SCUT27主要利用NADH依赖的乙醇脱氢酶；实现利用非灭菌木质纤维素水解液高效产氢。

研究对象（1）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Thermoanaerobacterium aotearoense SCUT27 暗发酵氢代谢（糖酵解/丙酮酸发酵） nfnAB NfnAB复合物（NADH依赖性还原铁氧还蛋白:NADP+氧化还原酶） 催化 敲除该基因可阻断NADH向NADPH的电子转移，提高NADH/NAD+比例，促进氢气生成。

关键发现

  1. 敲除nfnAB后，以葡萄糖为碳源时氢气产量提高(41.1±2.37)%(p<0.01)，乙醇产量提高(13.24±1.12)%(p<0.01)，乳酸产量降低(11.88±0.96)%(p<0.01)
  2. NADH/NAD+比值在6h时比野生型高(21.87±2.16)%(p<0.01)
  3. 以木糖为碳源时氢气产量提高(43.8±3.18)%，葡萄糖/木糖混合物(2:1)时提高(38.7±2.65)%
  4. 在非灭菌稻草和玉米芯水解液中，SCUT27/ΔnfnAB产氢190.63-209.31 mmol/L，产率1.66-1.77 mol/mol，生产力12.71-13.95 mmol/L/h
  5. 在六种稀酸预处理水解液中，氢产率比野生型提高34.8%-43.8%
  6. 最高氢产率在玉米芯水解液达到1.65±0.09 mol/mol（SCUT27为1.21±0.05 mol/mol）。

研究结论

敲除T. aotearoense SCUT27的nfnAB基因可有效提高氢气产量，通过改变电子流方向使更多NADH用于产氢；SCUT27/ΔnfnAB能利用多种稀酸预处理木质纤维素水解液产氢，并在非灭菌条件下保持高效，是生物制氢的优良候选菌株。