Removal of aromatic inhibitors produced from lignocellulosic hydrolysates by Acinetobacter baylyi ADP1 with formation of ethanol by Kluyveromyces marxianus
- 作者
- Anita Singh, Stacy R. Bedore, Nilesh K. Sharma, Sarah A. Lee, Mark A. Eiteman, Ellen L. Neidle
- 单位
- Department of Environmental Sciences, Central University of Jammu, Rahya-Suchani, Bagla, India; School of Chemical, Materials and Biomedical Engineering, University of Georgia, Athens, GA 30602, USA; Department of Microbiology, University of Georgia, Athens, GA 30602, USA
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels（2019）
- DOI
- 10.1186/s13068-019-1434-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
木质纤维素水解液中含有多种芳香族抑制剂（如苯甲酸、4-羟基苯甲酸），单一微生物无法同时有效去除这些抑制剂并转化糖混合物，需开发可同时降解多种抑制剂的菌株或联合体，并将残糖转化为目标产物。
研究策略
利用Acinetobacter baylyi ADP1的天然转化能力，通过基因缺失构建底物选择性菌株：缺失pcaGH（不能利用4-羟基苯甲酸）和缺失benD（不能利用苯甲酸），并通过缺失gcd防止葡萄糖消耗；在批次培养中用两菌联合体同时降解苯甲酸和4-羟基苯甲酸，在连续培养中用单株gcd缺失菌同时降解两种芳香物；随后用耐热酵母Kluyveromyces marxianus在高温低pH下将葡萄糖发酵为乙醇，形成两阶段细菌-酵母过程。
核心内容
该研究利用Acinetobacter baylyi ADP1的天然转化能力，通过基因缺失构建底物选择性突变株，并联合耐热酵母Kluyveromyces marxianus，实现木质纤维素水解液中芳香抑制剂的同步脱除与残糖的乙醇转化。研究者分别缺失pcaGH、benD和gcd基因，获得不能利用4-羟基苯甲酸、苯甲酸或葡萄糖的菌株。批次培养中，两菌联合体在8小时内同时降解2 mM苯甲酸和5 mM 4-羟基苯甲酸；连续培养中，gcd缺失菌在进料成分每24小时波动、稀释率为0.2 h^-1的条件下，两种芳香物的流出浓度均维持近零。随后在42°C、pH 5.2的两阶段过程中，利用K. marxianus的嗜热特性使A. baylyi失活，从而避免乙醇被消耗，厌氧阶段17.5小时内产生36.6 g/L乙醇，产率达0.38 g/g葡萄糖。该策略可扩展至其他抑制物与糖类，为木质纤维素水解液的原位脱毒和生物转化提供了可行路径。
创新点
['构建底物选择性A. baylyi突变株联合体，实现苯甲酸和4-羟基苯甲酸的同步降解', '利用gcd缺失突变株在连续培养中耐受进料组成波动并保持抑制剂去除', '两阶段过程中利用K. marxianus的高温（42°C）低pH（5.2）生长条件使A. baylyi失活，避免乙醇消耗']
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Acinetobacter baylyi ADP1 | β-酮己二酸途径-儿茶酚分支 | benD | 苯甲酸脱氢酶 | 催化 | 催化苯甲酸转化为儿茶酚；缺失后菌株不能利用苯甲酸 |
| Acinetobacter baylyi ADP1 | β-酮己二酸途径-原儿茶酸分支 | pcaGH | 原儿茶酸3,4-双加氧酶 | 催化 | 催化原儿茶酸裂解；缺失后菌株不能利用4-羟基苯甲酸 |
| Acinetobacter baylyi ADP1 | 葡萄糖代谢 | gcd | 葡萄糖脱氢酶 | 催化 | 缺失后不能利用葡萄糖、木糖和阿拉伯糖，但保留芳香化合物代谢能力 |
| Kluyveromyces marxianus | 乙醇发酵 | — | — | 催化 | 耐热酵母，在42°C和pH 5.2条件下将葡萄糖发酵为乙醇 |
关键发现
- ACN462（ΔpcaGH）在<8h内消耗2mM苯甲酸，ACN472（ΔbenD）在5h内消耗5mM 4-羟基苯甲酸
- ACN2090（ΔpcaGH Δgcd）和ACN2091（ΔbenD Δgcd）在糖存在下分别于7h和9h内消耗相应芳香物
- 两菌联合体在8h内同时降解2mM苯甲酸和5mM 4-羟基苯甲酸
- 连续培养中ACN2069（Δgcd）在稀释率0.2h^-1下，进料组成每24h变化，苯甲酸和4-羟基苯甲酸流出浓度维持近零
- 两阶段批次过程初始5mM 4-羟基苯甲酸和2.5mM苯甲酸在9.7h耗尽，进料（11mM 4-羟基苯甲酸和6mM苯甲酸）期间芳香物浓度维持零，K. marxianus在厌氧阶段（17.5h）产生36.6g/L乙醇，产率0.38g/g葡萄糖。
研究结论
通过底物选择性A. baylyi工程菌联合体可在批量和连续条件下同时去除木质纤维素水解液中的芳香抑制剂，并利用耐热酵母将残糖转化为乙醇。该方法可扩展至其他抑制剂及糖，为木质纤维素水解液脱毒与生物转化提供可行策略。