Characterization and genome analysis of a butanol-isopropanol-producing Clostridium beijerinckii strain BGS1
- 作者
- Chen Zhang, Tinggang Li, Jianzhong He
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels（2018）
- DOI
- 10.1186/s13068-018-1274-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
传统ABE发酵产生大量副产物丙酮，需降低丙酮并提高丁醇产量；将丙酮转化为异丙醇是替代途径，但现有野生型菌株的丁醇和异丙醇产量较低，亟需筛选高产菌株并解析其基因组信息。
研究策略
从土壤样品中筛选能高产异丙醇和丁醇的梭菌菌株，通过发酵条件优化（pH、金属离子、碳源等）和响应面法提高产量；结合全基因组测序、比较基因组分析、转录水平分析和酶活测定，鉴定并验证关键酶sAdhE的功能。
核心内容
从土壤中筛选获得一株新的野生型拜氏梭菌BGS1，以解决传统ABE发酵中丙酮副产物积累及异丙醇-丁醇产量偏低的问题。通过单因素实验和响应面法优化发酵条件（pH、金属离子、碳源），在60 g/L葡萄糖为底物时，丁醇产量达10.21 g/L、异丙醇产量达3.41 g/L，高于已报道的野生型异丙醇-丁醇生产菌株；以蔗糖为底物时可产生9.61 g/L丁醇和2.57 g/L异丙醇，且菌株能利用阿拉伯糖、木糖、半乳糖、纤维二糖等多种糖类。全基因组测序显示其基因组大小为5,880,896 bp，GC含量29.71%，含5008个编码基因，与NCIMB 8052和DSM 6423的蛋白序列相似性分别为90.82%和89.53%。基因组分析发现其具有独特的sAdhE基因（与DSM 6423相似性为90%），通过qPCR和酶活测定验证其编码的次级醇脱氢酶（活性为0.12 U/mg蛋白）负责将丙酮转化为异丙醇。该菌株为工业异丙醇-丁醇生产提供了优良候选，其基因组信息为相关菌株的遗传改造奠定了基础。
创新点
分离到一株新的野生型Clostridium beijerinckii BGS1，其丁醇产量（10.21 g/L）和异丙醇产量（3.41 g/L）高于已知野生型异丙醇-丁醇生产菌株；基因组分析发现其具有独特的sAdhE基因，并通过转录和酶活验证了其将丙酮转化为异丙醇的功能；菌株能利用多种糖类（阿拉伯糖、木糖、半乳糖、纤维二糖、蔗糖）生产丁醇和异丙醇。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium beijerinckii BGS1 | 异丙醇-丁醇合成途径 | sAdhE | 次级醇脱氢酶 (secondary alcohol dehydrogenase) | 催化 | 将丙酮转化为异丙醇；NADPH依赖、Zn依赖；酶活0.12 U/mg蛋白 |
| Clostridium beijerinckii BGS1 | 丁醇合成途径 | bdhE | 丁醇脱氢酶 (butanol dehydrogenase) | 催化 | 基因组中存在4个bdhE基因，负责丁醇生产 |
| Clostridium beijerinckii BGS1 | 乙醇合成途径 | AdhE2 | 醇脱氢酶 (alcohol dehydrogenase) | 催化 | 转录水平极低，导致菌株产生可忽略的乙醇 |
关键发现
- 在优化条件下，BGS1以60 g/L葡萄糖为底物可产生10.21 g/L丁醇和3.41 g/L异丙醇
- 以60 g/L蔗糖为底物可产生9.61 g/L丁醇和2.57 g/L异丙醇。基因组大小为5,880,896 bp，GC含量29.71%，包含5223个预测基因（5008个CDS）。蛋白序列与C. beijerinckii NCIMB 8052相似性为90.82%，与DSM 6423为89.53%
- 蛋白功能相似性分别为76.23%和94.96%。sAdhE基因与DSM 6423的sAdhE基因相似性为90%（953/1056），其编码的次级醇脱氢酶活性为0.12 U/mg蛋白。qPCR显示sAdhE在培养12 h和36 h表达出现两个峰值。
研究结论
Clostridium beijerinckii BGS1是工业异丙醇和丁醇生产的潜在候选菌株，其基因组为异丙醇-丁醇生产菌株的遗传改造提供了独特信息。