2019118,Applied and Environmental Microbiology 》期刊以亮点论文(spotlight)的形式在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所中科院合成生物学重点实验室杨晟研究组题为“Improved n-butanol production from Clostridium cellulovorans by integrated metabolic and evolutionary engineering”的研究论文。

      丁醇是一种大宗的化工原料和新一代的可再生替代能源。当前利用木质纤维原料 生产生物丁醇的主要成本在于外加纤维素酶。整合微生物产纤维素酶、水解及发酵的统合生物加工工艺有助于大幅降低由木质纤维素原料生产正丁醇的成本。但是在一个反应器内利用一种菌株高效地直接发酵木质纤维原料生产有机溶剂(主要成分为丁醇) 的工艺仍未实现。

      嗜纤维梭菌(Clostridium cellulovorans)可直接降解木质纤维原料(碱处理后的玉米棒芯)生产丁醇(但产量低于0.025 g/L),有潜力作为统合生物加工工艺的平台菌株。在前期工作中(Wen et al. Metab. Eng. 2017),研究组完成了嗜纤维梭菌的遗传操作系统开发,并考察了 ClosTron 敲除技术、 Allelic exchange 无痕敲除技术、 CRISPRi 介导的基因表达调控技术等遗传操作工具在嗜纤维梭菌中的使用效率。

      基于这些遗传操作工具,在本研究中,研究组在嗜纤维梭菌中引入了CoA依赖的ABEacetone-butanol-ethanol)合成途径,使突变株的丁醇产量提升至2.27 g/L。同时,考虑到丁醇毒性是限制丁醇产量的重要因素,研究组开发了一种新的丁醇耐受驯化策略获得了可耐受12 g/L丁醇的驯化株。为了进一步提高丁醇产量,研究组以驯化株为宿主进行前述代谢工程改造。获得的工程菌的丁醇产量提升了138倍,达到3.47 g/L。这是目前重组单梭菌直接降解木质纤维原料产正丁醇的最高水平,暗示所获得的工程菌在统合生物加工工艺开发领域极具潜力。

     该研究得到了国家自然科学基金杰出青年基金、上海市科委等项目的资助。

     论文链接:https://doi.org/10.1128/AEM.02560-18

                               1: 整合驯化工程和代谢工程改进嗜纤维梭菌丁醇生产


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