高级醇 · 代谢工程文献库

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Adaptation on xylose improves glucose- xylose co-utilization and ethanol production in a carbon catabolite repression (CCR) compromised ethanologenic strain

作者
Chandra Dev, Syed Bilal Jilani, Syed Shams Yazdani
单位
Microbial Engineering Group, International Centre for Genetic Engineering and Biotechnology, New Delhi, India; DBT-ICGEB Centre for Advanced Bioenergy Research, International Centre for Genetic Engineering and Biotechnology, New Delhi, India
杂志
Microbial Cell Factories（2022）
DOI
10.1186/s12934-022-01879-1
所属领域
代谢工程
关键词
Adaptive laboratory evolutionBioreactorCarbon catabolite repressionCo-utilizationE. coli BEIIBCGlcEthanologenic strainSugar mixture
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解决的核心问题

碳代谢物阻遏（CCR）导致细菌在葡萄糖存在时无法同时利用木糖，使得木质纤维素水解液中的葡萄糖和木糖难以同步发酵，造成乙醇产量和生产效率低下

研究策略

在产乙醇大肠杆菌SSK42中敲除ptsG基因以解除CCR，随后以木糖为唯一碳源进行适应性实验室进化（ALE），获得共利用葡萄糖和木糖的进化菌株SCD78，并通过蛋白质组学解析其机制

研究路线图

100%
问题：CCR阻遏致葡萄糖木糖无法共利用
策略：敲除ptsG解除CCR
关键改造1：获得CCR缺陷菌株SCD00
关键改造2：木糖适应性进化78代得SCD78
结果：SCD78高效共利用双糖，产率提高3倍
机制：蛋白质组学揭示TCA/呼吸链/转运上调
结论：木糖适应足以赋予共利用特性
底盘：E. coli SSK42
目标：乙醇高产 + 双糖同步利用
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核心内容

针对木质纤维素水解液中葡萄糖与木糖因碳代谢物阻遏（CCR）而难以同步利用的问题，该研究在产乙醇大肠杆菌SSK42中敲除ptsG基因以解除葡萄糖转运对木糖利用的抑制，获得CCR缺陷菌株SCD00，继而以木糖为唯一碳源进行约78代适应性实验室进化，得到菌株SCD78。在生物反应器含10 g/L葡萄糖和10 g/L木糖的条件下，SCD78于36小时内完全消耗两种糖，葡萄糖和木糖最大消耗速率分别达0.63和0.66 g/L/h，为对照的2.8倍和2倍；乙醇产量达8.99 g/L，为理论产率的84.35%，最大体积产率0.56 g/L/h，较SCD00提高3.7倍。全细胞蛋白质组学揭示SCD78中UdhA、MgsA等与能量平衡和糖消耗相关蛋白上调，而SCD00中TCA循环和呼吸链蛋白显著富集。结果表明，木糖适应本身即足以赋予CCR缺陷菌株高效的葡萄糖-木糖共利用特性，且总糖消耗速率和乙醇产量较未进化菌株提高约3倍，为木质纤维素乙醇生产提供了有效菌株改造策略。

创新点

1. 在产乙醇工程菌SSK42中敲除ptsG，获得CCR缺陷菌株SCD00，首次观察到其在高糖浓度下的葡萄糖-木糖共利用表型；2. 以木糖为唯一碳源进行约78代适应性进化，得到菌株SCD78，显著提高共利用能力和乙醇产量；3. 结合全细胞蛋白质组学揭示TCA循环、呼吸链和转运蛋白的上调可能促进共利用，为菌株改造提供新靶点

研究对象（10）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
E. coli SSK42 葡萄糖PTS转运系统 ptsG EIIBCGlc 转运 PTS系统葡萄糖特异性转运蛋白组分，敲除后解除CCR，导致葡萄糖和木糖共利用
E. coli SCD78 木糖代谢 xylA XylA 催化 木糖异构酶，催化木糖转化为木酮糖，在SCD00中显著上调
E. coli SCD78 木糖代谢 xylB XylB 催化 木酮糖激酶，催化木酮糖磷酸化，在SCD00中显著上调
E. coli SCD78 戊糖磷酸途径 talB TalB 催化 转醛醇酶，连接PPP和糖酵解，促进戊糖利用，在SCD00中上调
E. coli SCD00 TCA循环 fumA, sdhA, sdhB, sucA, sucB, sucC, sucD FumA, SdhA, SdhB, SucA, SucB, SucC, SucD 催化 TCA循环关键酶，在ptsG敲除后显著上调，可能增加能量和代谢前体供给
E. coli SCD00 氧化磷酸化 nuoI, nuoB, nuoE NuoI, NuoB, NuoE 能量供给 NADH脱氢酶I复合体亚基，参与电子传递链，上调增强呼吸产能
E. coli SCD00 糖转运 mglB MglB 转运 D-半乳糖/甲基半乳糖苷ABC转运蛋白周质结合蛋白，可能替代PTS转运葡萄糖，在SCD00中上调6 log2倍
E. coli SCD78 调控 arcB ArcB 调控 厌氧调控双组分系统传感器，在SCD78中相对于SCD00上调，可能协调有氧和无氧代谢
E. coli SCD78 能量代谢 udhA UdhA 能量供给 可溶性吡啶核苷酸转氢酶，平衡NADH/NADPH，在SCD78中上调3.1 log2倍，改善氧化还原平衡
E. coli SCD78 甲基乙二醛途径 mgsA MgsA 催化 甲基乙二醛合酶，在SCD78中上调，缓解磷酸化糖积累，支持高糖消耗

关键发现

  1. 在Hungate管实验中，SCD78在12小时内同时消耗葡萄糖和木糖，最大消耗速率分别为0.22±0.00 g/L/h和0.17±0.01 g/L/h，乙醇最大产率为0.24±0.00 g/L/h，乙醇产量比SCD00高23%（1.68 g/L vs 约1.37 g/L）
  2. 在生物反应器（10 g/L葡萄糖+10 g/L木糖）中，SCD78在36小时内完全消耗两种糖，葡萄糖和木糖最大消耗速率分别为0.63±0.07和0.66±0.02 g/L/h，分别为对照SCD00的2.8倍和2倍
  3. SCD78乙醇产量达8.99±0.22 g/L，为理论产率的84.35%±2.73%，最大体积产率0.56±0.05 g/L/h，是SCD00的3.7倍；总糖消耗速率和乙醇产量均约为SCD00的3倍
  4. 蛋白质组学显示SCD00中TCA循环蛋白（FumA、SdhA、SdhB等）和呼吸链蛋白（NuoI、NuoB、NuoE等）显著上调，SCD78中UdhA、MgsA等与能量平衡和糖消耗相关蛋白上调

研究结论

通过敲除ptsG和以木糖为唯一碳源的适应性进化，成功获得菌株SCD78，其具有显著的葡萄糖-木糖共利用能力，总糖消耗速率和乙醇产量较未进化菌株提高约3倍；木糖适应本身足以赋予CCR缺陷产乙醇菌株葡萄糖-木糖共利用的特性