Enhanced phenolic compounds tolerance response of Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 by inactivation of Cbei_3304
- 作者
- Jun Liu, Qinlu Lin, Xueying Chai, Yunchuan Luo, Ting Guo
- 单位
- National Engineering Laboratory of Rice and By-Product Deep Processing, Central South University of Forestry and Technology; College of Food Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2018）
- DOI
- 10.1186/s12934-018-0884-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
木质纤维素水解产生的酚类化合物严重抑制C. beijerinckii的生长和ABE发酵，但对其耐受机制研究不足，缺乏有效的耐受性改造策略。
研究策略
通过生物信息学预测Cbei_3304为膜转运蛋白，利用Clostron系统插入失活该基因，比较重组菌与野生型对酚类化合物的耐受性和发酵性能，并通过转录组分析揭示耐受相关转运蛋白表达变化。
核心内容
本研究通过生物信息学预测将梭菌Clostridium beijerinckii NCIMB 8052中功能未知的膜蛋白基因Cbei_3304鉴定为酚类化合物耐受性的潜在调控因子，并利用Clostron系统插入失活该基因，构建重组菌株3304::int。在含0.5 g/L阿魏酸的P2培养基中，重组菌的细胞干重达1.90 g/L，丁醇产量为6.45 g/L；在0.5 g/L香草酸条件下，细胞干重为1.38 g/L，丁醇产量5.5 g/L，显著优于野生型。在添加3 g/L CaCO3后，香豆酸胁迫下丁醇产量从0.58 g/L提升至4.1 g/L，细胞干重提高近2倍。在非脱毒半纤维素水解液中，重组菌在总酚含量2.23 g/L和1.87 g/L的条件下分别获得总溶剂6.52 g/L和7.34 g/L。转录组分析显示，酸生成期膜转运蛋白基因Cbei_5045和Cbei_5046分别上调超过13倍和9倍，而丁醇脱氢酶基因bdh下调超过1.6倍。结果表明，失活Cbei_3304可显著增强菌株对阿魏酸和香草酸的耐受性，并改善非脱毒水解液的发酵性能，为构建高抑制剂耐受的梭菌菌株提供了新的改造策略。
创新点
首次失活功能未知的膜蛋白基因Cbei_3304显著增强C. beijerinckii对阿魏酸和香草酸的耐受性；提供一种无需CaCO3解毒即可利用非脱毒半纤维素水解液进行ABE发酵的新策略。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 | ABE发酵 | Cbei_3304 | YP_001310387.1 (Cbei_3304) | 转运 | 假定膜转运蛋白，插入失活后增强酚类化合物耐受性 |
| Clostridium beijerinckii 3304::int | ABE发酵 | Cbei_3304 | — | 转运 | 重组菌，Cbei_3304失活，对阿魏酸和香草酸耐受性显著提高 |
| Clostridium beijerinckii 3304::int | 膜转运 | Cbei_5045, Cbei_5046 | — | 转运 | ABC转运蛋白基因，酸生成期分别上调>13和>9倍 |
| Clostridium beijerinckii 3304::int | 膜转运 | Cbei_5043, Cbei_5044 | — | 转运 | 内膜转位蛋白基因，上调>12倍 |
| Clostridium beijerinckii 3304::int | 膜转运 | Cbei_4190-Cbei_4193 | — | 转运 | 硫酸盐ABC转运蛋白通透酶基因，上调表达 |
| Clostridium beijerinckii 3304::int | 丁醇合成 | bdh | — | 催化 | NADH依赖性丁醇脱氢酶，溶剂生成期下调>1.6倍 |
| Clostridium beijerinckii 3304::int | 乙酸代谢 | Cbei_0203, Cbei_0204 | — | 催化 | 乙酸生成基因，弱下调 |
| Clostridium beijerinckii 3304::int | 丁酸代谢 | Cbei_1164, Cbei_1165 | — | 催化 | 丁酸生成基因，弱下调 |
关键发现
- 通过插入失活Cbei_3304构建重组菌C. beijerinckii 3304::int，在含0.5 g/L阿魏酸的P2培养基中，DCW达1.90 g/L、丁醇产量6.45 g/L；在0.5 g/L香草酸下DCW为1.38 g/L、丁醇5.5 g/L。加入3 g/L CaCO3后，香豆酸条件下丁醇从0.58 g/L增至4.1 g/L，DCW提高近2倍。在非脱毒半纤维素水解液中，30P-SAHHC（TPC
- 23 g/L）总溶剂6.52 g/L（丁醇4.72 g/L），30P-SAHHB（TPC
- 87 g/L）总溶剂7.34 g/L（丁醇5.11 g/L）。转录组分析显示Cbei_5045和Cbei_5046在酸生成期分别上调>13和>9倍，Cbei_5043/5044上调>12倍，而丁醇脱氢酶bdh下调>1.6倍。
研究结论
Cbei_3304在C. beijerinckii对酚类化合物的耐受性调控中起重要作用，失活该基因显著提高菌株对阿魏酸和香草酸的耐受性，并改善非脱毒半纤维素水解液的适应性和ABE产量，为构建高抑制剂耐受梭菌菌株提供了新策略。