Metabolic Engineering of Clostridiu

Metabolic Engineering of Clostridium acetobutylicum ATCC 824 for Isopropanol-Butanol-Ethanol Fermentation
Joungmin Lee, Yu-Sin Jang, [...], and Sang Yup Lee

Additional article information

ABSTRACT
Clostridium acetobutylicum naturally produces acetone as well as butanol and ethanol. Since acetone cannot be used as a biofuel, its production needs to be minimized or suppressed by cell or bioreactor engineering. Thus, there have been attempts to disrupt or inactivate the acetone formation pathway. Here we present another approach, namely, converting acetone to isopropanol by metabolic engineering. Since isopropanol can be used as a fuel additive, the mixture of isopropanol, butanol, and ethanol (IBE) produced by engineered C. acetobutylicum can be directly used as a biofuel. IBE production is achieved by the expression of a primary/secondary alcohol dehydrogenase gene from Clostridium beijerinckii NRRL B-593 (i.e., adhB-593) in C. acetobutylicum ATCC 824. To increase the total alcohol titer, a synthetic acetone operon (act operon; adc-ctfA-ctfB) was constructed and expressed to increase the flux toward isopropanol formation. When this engineering strategy was applied to the PJC4BK strain lacking in the buk gene (encoding butyrate kinase), a significantly higher titer and yield of IBE could be achieved. The resulting PJC4BK(pIPA3-Cm2) strain produced 20.4 g/liter of total alcohol. Fermentation could be prolonged by in situ removal of solvents by gas stripping, and 35.6 g/liter of the IBE mixture could be produced in 45 h.

INTRODUCTION
Butanol is an important industrial chemical and has been receiving increased attention as a better biofuel than ethanol because of its higher energy density and less hygroscopy. Butanol can be produced by several anaerobic microorganisms that belong to the genus Clostridium. The most extensively studied solventogenic species is Clostridium acetobutylicum, which typically produces butanol, acetone, and ethanol at the mass ratio of 6:3:1 (17, 20, 21). Even though C. acetobutylicum and other solventogenic strains have been used in large-scale butanol production, this so-called acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation process is currently considered less economical than ethanol fermentation using yeasts (32). Since acetone cannot be used as a fuel due to its corrosiveness to engine parts that are composed of rubber or plastic, its coproduction with butanol (and ethanol) is viewed as undesirable because it reduces the butanol yield per unit mass of substrate utilized. Thus, reducing acetone production has been an important objective of clostridial metabolic engineering (28).

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

วิศวกรรมเผาผลาญของเชื้อ Clostridium acetobutylicum ATCC 824 สำหรับหมัก Isopropanol-บิวทานอเอทานอล
Joungmin ลี ยู-บาปแจง [...], และสังยุบลี

รายละเอียดเพิ่มเติม

นามธรรม
เชื้อ Clostridium acetobutylicum ธรรมชาติผลิตอะซีโตนเป็นบิวทานอ และเอทานอล เนื่องจากอะซีโตนไม่สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ การผลิตจำเป็นต้องถูกย่อให้เล็กสุด หรือระงับเซลล์หรือวิศวกรรม bioreactor ดังนั้น มีความพยายามที่จะรบกวน หรือยกทางเดินก่ออะซีโตน ที่นี่เรานำเสนออีกแนวทาง ได้แก่ แปลงอะซีโตน isopropanol โดยวิศวกรรมที่เผาผลาญ ตั้งแต่ isopropanol สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงสามารถ ส่วนผสมของ isopropanol บิวทานอ และเอทานอล (IBE) ผลิต โดย acetobutylicum C. ออกแบบโดยตรงใช้เป็นเชื้อเพลิงชีวภาพเป็น IBE ผลิตสามารถทำได้ โดยนิพจน์ของยีน dehydrogenase เป็นเหล้าหลัก/รองจากเชื้อ Clostridium beijerinckii NRRL B-593 (เช่น adhB-593) ใน C. acetobutylicum ATCC 824 เพิ่มแอลกอฮอล์รวม titer, operon สังเคราะห์อะซีโตน (operon บัญญัติ adc-ctfA-ctfB) ถูกสร้าง และแสดงไหลไปทาง isopropanol ก่อตัวเพิ่มขึ้น เมื่อใช้กลยุทธ์นี้วิศวกรรม การ PJC4BK สายพันธุ์ขาดยีนใน buk (รหัส butyrate kinase), titer สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และอาจได้รับผลตอบแทนของ IBE สายพันธุ์ PJC4BK(pIPA3-Cm2) ผลผลิต 20.4 กรัม/ลิตรของแอลกอฮอล์ทั้งหมด หมักไม่นาน โดยเอาใน situ หรือสารทำละลายก๊าซนิทาน และ 35.6 กรัม/ลิตรของ IBE ผสมสามารถผลิตใน 45 h.

แนะนำ
บิวทานอเป็นสารเคมีอุตสาหกรรมที่สำคัญ และได้รับเพิ่มขึ้นสนใจ เป็นเชื้อเพลิงชีวภาพดีกว่าเอทานอลเนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานสูง และน้อยกว่า hygroscopy สามารถผลิตบิวทานอ โดยจุลินทรีย์ไร้อากาศแบบหลายที่อยู่ในสกุลเชื้อ Clostridium สายพันธุ์ solventogenic ศึกษาอย่างกว้างขวางมากที่สุดคือ เชื้อ Clostridium acetobutylicum ซึ่งโดยทั่วไปผลิตบิวทานอ อะซิโตน และเอทานอลในอัตราส่วนมวลของ 6:3:1 (17, 20, 21) แม้ว่า C. acetobutylicum และสายพันธุ์อื่น ๆ solventogenic มีการใช้ในการผลิตบิวทานอขนาดใหญ่ นี้เรียกว่าอะซิโตนบิวทานอเอทานอล (อะเบะ) หมักขณะกำลังประหยัดน้อยกว่าการหมักเอทานอลโดยใช้ yeasts (32) เนื่องจากอะซีโตนไม่สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงเนื่องจากของ corrosiveness กับชิ้นส่วนเครื่องยนต์ที่ประกอบด้วยยางหรือพลาสติก คุณสามารถดูตัว coproduction กับบิวทานอ (และเอทานอล) เป็นผลเนื่องจากจะช่วยลดผลผลิตบิวทานอต่อหน่วยมวลของพื้นผิวที่ใช้ ดังนั้น การลดการผลิตอะซีโตนได้รับวัตถุประสงค์ที่สำคัญของวิศวกรรมเผาผลาญ clostridial (28)

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

เมตาบอลิวิศวกรรมของ Clostridium acetobutylicum ATCC 824 สำหรับ Isopropanol-Butanol การหมักเอทานอล
Joungmin ลี Yu-บาปจาง [... ] และ Sang Yup ลีข้อมูลบทความเพิ่มเติมบทคัดย่อClostridium acetobutylicum ธรรมชาติผลิตอะซีโตนรวมทั้งบิวทานอและเอทานอล ตั้งแต่อะซิโตนไม่สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงชีวภาพการผลิตที่จะต้องลดหรือระงับโดยมือถือหรือเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพวิศวกรรม ดังนั้นจึงมีความพยายามที่จะทำลายหรือยับยั้งการสร้างทางเดินอะซิโตน ที่นี่เรานำเสนออีกวิธีหนึ่งคือการแปลงอะซิโตนที่จะ isopropanol โดยวิศวกรรมการเผาผลาญอาหาร ตั้งแต่ isopropanol สามารถนำมาใช้เป็นสารเติมแต่งน้ำมันเชื้อเพลิงที่มีส่วนผสมของ isopropanol, บิวทานอและเอทานอล (IBE) ผลิตโดยวิศวกรรม acetobutylicum ซีสามารถนำมาใช้โดยตรงเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ การผลิต IBE จะทำได้โดยการแสดงออกของยีนแอลกอฮอล์ dehydrogenase หลัก / รองจาก Clostridium beijerinckii NRRL B-593 (เช่น adhB-593) ในซี acetobutylicum ATCC 824 เพื่อเพิ่ม titer เครื่องดื่มแอลกอฮอล์รวม Operon อะซิโตนสังเคราะห์ (ทำหน้าที่ Operon ; ADC-CTFA-ctfB) ถูกสร้างขึ้นและแสดงเพื่อเพิ่มการไหลที่มีต่อการสร้าง isopropanol เมื่อกลยุทธ์วิศวกรรมนี้ถูกนำไปใช้กับสายพันธุ์ PJC4BK ขาดยีนบุก (การเข้ารหัส butyrate ไคเนส) titer ที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญและผลผลิตของ IBE จะประสบความสำเร็จ ผล PJC4BK (pIPA3-cm2) สายพันธุ์ที่ผลิต 20.4 กรัม / ลิตรของเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ทั้งหมด การหมักจะได้รับเป็นเวลานานโดยในการกำจัดแหล่งกำเนิดของตัวทำละลายโดยก๊าซลอกและ 35.6 กรัม / ลิตรส่วนผสม IBE สามารถผลิตใน 45 ชั่วโมงบทนำButanol เป็นสารเคมีอุตสาหกรรมที่สำคัญและได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพเอทานอลที่ดีกว่าเพราะ ของความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นและ hygroscopy น้อย บิวทานอสามารถผลิตได้โดยจุลินทรีย์แบบไม่ใช้หลายอย่างที่เป็นของ Clostridium ประเภท ชนิด solventogenic ศึกษามากที่สุดอย่างกว้างขวางเป็น acetobutylicum Clostridium ซึ่งโดยทั่วไปแล้วการผลิตบิวทานอ, อะซิโตนและเอทานอลที่อัตราส่วนโดยมวลของ 6: 3: 1 (17, 20, 21) แม้ว่า acetobutylicum ซีและสายพันธุ์ solventogenic อื่น ๆ ได้ถูกนำมาใช้ในการผลิตบิวทานอขนาดใหญ่นี้เรียกว่าอะซิโตน-บิวทานอเอทานอล (ABE) กระบวนการหมักอยู่ในขณะนี้ถือว่าประหยัดน้อยกว่าการหมักเอทานอลโดยใช้ยีสต์ (32) ตั้งแต่อะซิโตนไม่สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงเนื่องจาก corrosiveness ไปยังส่วนเครื่องยนต์ที่จะประกอบด้วยยางหรือพลาสติกของ coproduction กับบิวทานอ (และเอทานอล) ถูกมองว่าเป็นที่ไม่พึงประสงค์เพราะจะช่วยลดอัตราผลตอบแทนของบิวทานอต่อหน่วยมวลของพื้นผิวที่ใช้ ดังนั้นการลดการผลิตอะซิโตนได้รับเป้าหมายที่สำคัญของวิศวกรรมการเผาผลาญคลอสตริเดีย (28)

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

วิศวกรรมการเผาผลาญอาหารของ Clostridium acetobutylicum ATCC 824 สำหรับไอโซโพรพานอล butanol หมักเอธานอล
joungmin ลี ยูซิน จาง , [ . . . ] และร้องเพลงใช่ลี




ข้อมูลเพิ่มเติมบทความบทคัดย่อ Clostridium acetobutylicum ผลิตได้เองตามธรรมชาติ ) รวมทั้งบิวทานอลและเอทานอล ตั้งแต่ ) ไม่สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ ,การผลิตต้องลดหรือหยุดยั้งโดยเซลล์หรือวิศวกรรมเครื่อง . ดังนั้น จึงมีความพยายามที่จะขัดขวางหรือยับยั้งการก่อตัวแบบทาง ที่นี่เรานำเสนอวิธีการอื่น คือ การแปลงแบบไอโซโพรพานอล โดยการสลายวิศวกรรม เนื่องจากกระแสสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงเสริมส่วนผสมของไอโซโพรพานอลบิวทานอล , ,และเอทานอล ( ibe ) ผลิตโดยออกแบบ C acetobutylicum สามารถโดยตรงใช้เป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ ibe การผลิตได้โดยการแสดงออกของยีนจากแอลกอฮอล์ดีไฮโดรจีเนสประถม / มัธยม Clostridium beijerinckii NRRL b-593 ( เช่น adhb-593 ) ในซี acetobutylicum ATCC 824 . เพื่อเพิ่มระดับแอลกอฮอล์รวม โอเปอรอน ) สังเคราะห์ ( หน้าที่โอเปอร์รอน ;ctfa ctfb ADC ) ได้สร้างและแสดงออกเพื่อเพิ่มการไหลตามกระแส . เมื่อกลยุทธ์วิศวกรรมมาใช้ใน pjc4bk เมื่อยขาดใน Buk ยีน ( บิว kinase การเข้ารหัส ) สูงกว่าระดับ และผลผลิตของ ibe สามารถลุ้นรับ ผล pjc4bk ( pipa3-cm2 20.4 กรัม / ลิตร ) สายพันธุ์ที่ผลิตแอลกอฮอล์ทั้งหมดการหมักอาจจะยืดเยื้อ โดยใน situ การกำจัดตัวทำละลายโดยแก๊สที่ปอกและ 0.05 กรัม / ลิตรของ ibe ส่วนผสมอาจจะผลิต 45 H .

บทนำ
บิวทานอลเป็นสารเคมีอุตสาหกรรมที่สำคัญและได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นเป็นเชื้อเพลิงได้ดีกว่าเอทานอล เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น และ hygroscopy น้อยลงบิวทานอลสามารถผลิตได้โดยหลายถังจุลินทรีย์ ที่เป็นของกุล Clostridium . มากที่สุดอย่างกว้างขวางเรียน solventogenic ชนิด Clostridium acetobutylicum ซึ่งโดยปกติจะผลิตบิวทานอลและอะซิโตน เอทานอลในอัตราส่วนโดยมวลของ 6:3:1 ( 17 , 20 , 21 ) แม้ว่า . . acetobutylicum และสายพันธุ์ solventogenic อื่น ๆได้ถูกนำมาใช้ในการผลิตบิวทานอลขนาดใหญ่นี้เรียกว่าอะซิโตนบิวทานอล ( ABE ) กระบวนการหมักเอทานอลขณะนี้ถือว่าประหยัดน้อยกว่าการหมักเอทานอลโดยใช้ยีสต์ ( 32 ) ตั้งแต่ ) ไม่สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์เนื่องจากการกัดกร่อนชิ้นส่วนที่ประกอบด้วยยางหรือพลาสติกcoproduction กับบิวทานอลและเอทานอล ) ถูกมองว่าไม่พึงประสงค์ เพราะมันช่วยลดผลผลิตต่อหน่วยของมวลของบิวทานอล ( ใช้ ดังนั้น การลดการผลิต ) มีวัตถุประสงค์สำคัญของ clostridial วิศวกรรมการเผาผลาญอาหาร ( 28 )