高级醇 · 代谢工程文献库

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Conversion of poplar biomass into high-energy density tricyclic sesquiterpene jet fuel blendstocks

作者
Gina M. Geiselman, James Kirby, Alexander Landera, Peter Otoupal, Gabriella Papa, Carolina Barcelos, Eric R. Sundstrom, Lalitendu Das, Harsha D. Magurudeniya, Maren Wehrs, Alberto Rodriguez, Blake A. Simmons, Jon K. Magnuson, Aindrila Mukhopadhyay, Taek Soon Lee, Anthe George, John M. Gladden
单位
Joint BioEnergy Institute, Lawrence Berkeley National Laboratory, Emeryville, CA 94608, USA; Biomass Science and Conversion Technology Department, Sandia National Laboratories, Livermore, CA 94551, USA; Advanced Biofuels and Bioproducts Process Development Unit, Lawrence Berkeley National Laboratory, Emeryville, CA 94608, USA; Biological Systems and Engineering Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA; Pacific Northwest National Laboratory, Richland, WA 99354, USA; Environmental Genomics and Systems Biology Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA
杂志
Microbial Cell Factories（2020）
DOI
10.1186/s12934-020-01456-4
所属领域
代谢工程
关键词
BiofuelEpi-isozizaneHigh densityJet fuelPoplarPrespatanePretreatment and saccharificationRhodotorula toruloides
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解决的核心问题

开发从杨树等木质纤维素生物质到高能量密度三环倍半萜喷气燃料混合组分（epi-isozizaeane 和 prespatane）的可持续、可规模化生产工艺，并评估其燃料性质是否适合作为 Jet A 的混合组分。

研究策略

以产油酵母 Rhodosporidium toruloides 为底盘，通过密码子优化异源表达来自 Streptomyces coelicolor 的 epi-isozizaeane 合酶（EIZS）和来自 Laurencia pacifica 的 prespatane 合酶（PPS），结合胆碱赖氨酸离子液体预处理和酶解杨木制备水解液，在摇瓶和2 L生物反应器中生产目标倍半萜；同时利用理论计算方法预测燃料性质并与 Jet A 对比。

研究路线图

100%
研究问题：开发杨木生物质转化高能量密度喷气燃料工艺
策略：以产油酵母为底盘，异源表达倍半萜合酶
关键改造：密码子优化EIZS和PPS基因，构建酵母菌株
关键改造：离子液体预处理杨木，制备水解液
结果：摇瓶及2L反应器发酵，最高产1173.6 mg/L
结果：氢化产物能量密度40.69~41.46 MJ/L，超Jet A 16.6%~18.8%
结果：木质纤维素水解液优于模拟培养基
结论：倍半萜为高潜力Jet A混合组分，首次报道prespatane
研究问题：评估燃料性质适配Jet A混合
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核心内容

本研究以产油酵母Rhodosporidium toruloides为底盘，通过密码子优化异源表达来源于Streptomyces coelicolor的epi-isozizaeane合酶（EIZS）和Laurencia pacifica的prespatane合酶（PPS），结合胆碱赖氨酸离子液体预处理与酶解杨木制备水解液，在摇瓶和2 L生物反应器中实现了两种高能量密度三环倍半萜的可持续生产。密码子优化使两个基因的GC含量均增加14%，而天然基因未检测到目标产物。在2 L反应器中，使用过滤的杨木水解液培养PPS5菌株时prespatane产量最高达1173.6 mg/L，远高于模拟培养基中的200.2 mg/L和未过滤水解液的358.2 mg/L；木质纤维素水解液比模拟培养基更有利于倍半萜生产，补充5 g/L硫酸铵时EIZS2菌株的epi-isozizaeane产量达284.0 mg/L，优于10 g/L酵母提取物的138.9 mg/L。饱和prespatane和epi-isozizaeane的体积能量密度分别为41.46 MJ/L和40.69 MJ/L，比Jet A中位值高18.8%和16.6%。研究首次报道prespatane作为喷气燃料候选物，证明该整合预处理-糖化-发酵工艺可放大至2 L规模，氢化后的倍半萜作为Jet A混合组分可显著提高能量密度并改善粘度。

创新点

['首次在担子菌酵母 Rhodosporidium toruloides 中实现 epi-isozizaeane 和 prespatane 的生产', '首次报道 prespatane 作为潜在喷气燃料混合组分', '开发了从杨木生物质到 jet fuel 前体的集成预处理-糖化-发酵工艺', '证明木质纤维素水解液比模拟葡萄糖/木糖培养基更有利于倍半萜生产']

研究对象（4）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Rhodosporidium toruloides IFO0880 甲羟戊酸途径 RTEIZS epi-isozizaeane synthase 催化 来自 Streptomyces coelicolor 的密码子优化基因，催化 FPP 环化生成 epi-isozizaeane
Rhodosporidium toruloides IFO0880 甲羟戊酸途径 RTPPS prespatane synthase 催化 来自 Laurencia pacifica 的密码子优化基因，催化 FPP 环化生成 prespatane
Rhodosporidium toruloides IFO0880 甲羟戊酸途径 ScEIZS epi-isozizaeane synthase 催化 来自 Streptomyces coelicolor 的天然基因，在 R. toruloides 中未检测到产物
Rhodosporidium toruloides IFO0880 甲羟戊酸途径 LpPPS prespatane synthase 催化 来自 Laurencia pacifica 的天然基因，在 R. toruloides 中未检测到产物

关键发现

  1. 在2 L生物反应器中，使用过滤的杨木水解液培养 PPS5 菌株，prespatane 产量最高达到
  2. 6 mg/L，而模拟培养基中仅
  3. 2 mg/L，未过滤水解液为
  4. 2 mg/L。饱和 epi-isozizaeane 和饱和 prespatane 的能量密度分别为
  5. 69 MJ/L 和
  6. 46 MJ/L，比 Jet A 中位值（34.9 MJ/L）高
  7. 6% 和
  8. 8%。饱和 prespatane 的比能量为
  9. 27 MJ/kg，比 Jet A 规格下限高
  10. 1%；饱和 epi-isozizaeane 为
  11. 72 MJ/kg，低
  12. 18%。密码子优化使 EIZS 和 PPS 基因 GC 含量均增加 14%，天然基因未检测到目标产物。在杨木水解液中补充 5 g/L 硫酸铵时，EIZS2 菌株的 epi-isozizaeane 产量为
  13. 0 mg/L，优于 10 g/L 酵母提取物条件下的
  14. 9 mg/L。PPS5 在杨木水解液中 prespatane 产量为
  15. 9 mg/L，而模拟培养基中仅
  16. 3 mg/L。未过滤水解液中细胞计数为
  17. 5×10^8 cells/mL，显著低于过滤后的
  18. 0×10^9 cells/mL。

研究结论

Rhodosporidium toruloides 能将杨木木质纤维素水解液高效转化为 epi-isozizaeane 和 prespatane，且该过程可放大至2 L规模。氢化后的 prespatane 和 epi-isozizaeane 作为 Jet A 或低密度可再生喷气燃料的混合组分，可改善粘度并显著提高能量密度，具有应用前景。这是首次将 prespatane 作为喷气燃料候选物进行报道。