Deletion of pgi gene in E. coli increases tolerance to furfural and 5-hydroxymethyl furfural in media containing glucose-xylose mixture
- 作者
- Syed Bilal Jilani, Chandra Dev, Danish Eqbal, Kamran Jawed, Rajendra Prasad, Syed Shams Yazdani
- 单位
- Microbial Engineering Group, International Centre for Genetic Engineering and Biotechnology (ICGEB), Aruna Asaf Ali Marg, New Delhi, India; DBT-ICGEB Centre for Advanced Bioenergy Research, International Centre for Genetic Engineering and Biotechnology, New Delhi, India; Institute of Biotechnology, Amity University, Manesar, Haryana, India; Biodiscovery Institute, School of Life Sciences, University of Nottingham, Nottingham, UK
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2020）
- DOI
- 10.1186/s12934-020-01414-0
- 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的糠醛和5-羟甲基糠醛（5-HMF）协同抑制微生物代谢，如何提高产乙醇大肠杆菌对这两种呋喃抑制物的耐受性，并实现在葡萄糖-木糖混合糖中的高效乙醇发酵。
研究策略
通过删除磷酸葡萄糖异构酶基因（pgi），使葡萄糖碳流完全转向磷酸戊糖途径（PPP），增加细胞内NADPH供应，从而增强对糠醛和5-HMF的解毒能力和耐受性。
核心内容
该研究通过删除产乙醇大肠杆菌SSK42中的pgi基因，构建了突变株SSK101，使葡萄糖碳流完全转向磷酸戊糖途径，增加细胞内NADPH供应，从而增强对糠醛和5-羟甲基糠醛（5-HMF）的解毒能力。在1 g/L糠醛胁迫下，SSK101的生物量形成速率较亲本最高提高1.9倍，糠醛清除时间从72小时缩短至48小时。在含6 g/L和12 g/L葡萄糖的葡萄糖-木糖混合糖及双重呋喃抑制物胁迫下，SSK101分别产生约18 g/L和20 g/L乙醇，而亲本SSK42在相同条件下几乎无代谢活性。无抑制物时，SSK101的乙醇产率分别达到理论值的71.8%和77.3%。研究还发现该耐受性依赖葡萄糖存在，在木糖或LB培养基中优势消失。结果表明pgi缺失通过增加NADPH供应增强呋喃解毒能力，该菌株在木质纤维素生物炼制中具有应用潜力。
创新点
首次在经进化改造的产乙醇大肠杆菌菌株SSK42中删除pgi基因，构建出对糠醛和5-HMF具有显著耐受性的SSK101菌株；在含葡萄糖-木糖混合糖及双重呋喃抑制物胁迫下实现高效乙醇发酵，并保持葡萄糖-木糖共利用能力；揭示了pgi缺失菌株的耐受性依赖葡萄糖并受培养基成分影响的现象。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli SSK101（pgi缺失的产乙醇菌株） | 磷酸戊糖途径（PPP） | pgi | 葡萄糖-6-磷酸异构酶（Pgi） | 催化 | 删除pgi基因使EMP通路受阻，葡萄糖碳流全部经PPP，增加NADPH生成，提高糠醛和5-HMF耐受性。 |
| Escherichia coli SSK42（亲本产乙醇菌株） | EMP途径/磷酸戊糖途径 | — | — | 催化 | 作为对照菌株，保留完整pgi基因，在抑制物条件下代谢活性显著低于SSK101。 |
关键发现
- 在1 g/L糠醛存在下，SSK101菌株的生物量形成速率较亲本SSK42最高提高1.9倍（0.025±0.004 vs 0.013±0.004 g/(L·h)），清除糠醛时间缩短一半（SSK101 48 h清除，SSK42需72 h）。在5-HMF存在下，SSK101在2.5 g/L时达到最大生物量形成速率（p=0.001）。在含6 g/L和12 g/L葡萄糖的葡萄糖-木糖混合糖（总糖5.5%）及1 g/L糠醛+1 g/L 5-HMF双重胁迫下，SSK101分别产生约18 g/L和20 g/L乙醇
- 最大乙醇生产率在低葡萄糖时为0.46 g/(L·h)（96-120 h），高葡萄糖时为0.33 g/(L·h)（144-168 h）
- 而亲本SSK42在相同抑制物条件下无明显代谢活性。无抑制物时，SSK101在6 g/L和12 g/L葡萄糖下乙醇产率分别达到理论值的71.8%和77.3%。SSK101在AM1+葡萄糖培养基中糠醛未引起生长下降，但在AM1+木糖或LB培养基中耐受优势消失。5-HMF相对糠醛对微生物生长的抑制较弱。
研究结论
删除pgi基因使大肠杆菌碳流经PPP通量增加，产生的过量NADPH可用于糠醛和5-HMF的还原解毒，显著提高了产乙醇菌株对呋喃抑制物的耐受性。SSK101菌株在含葡萄糖-木糖混合糖及双重呋喃抑制物胁迫下，表现出优异的糖共利用和乙醇发酵性能，具有应用于木质纤维素生物炼制领域的潜力。