Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Đặc trưng in silico của điện tổng hợp vi sinh vật trong kỹ thuật điều chỉnh chuyển hóa của các hợp chất sinh hóa
Tóm tắt
Một mối quan tâm quan trọng trong kỹ thuật điều chỉnh chuyển hóa là cần phải cân bằng giữa nhu cầu và cung cấp các trung gian redox như NADH. Các kỹ thuật điện sinh hóa cung cấp một phương pháp mới và hứa hẹn để giảm thiểu sự mất cân bằng redox trong quá trình tổng hợp các hợp chất sinh hóa và sinh liệu. Nói chung, các kỹ thuật này giảm NAD+ nội bào thành NADH và do đó điều chỉnh cân bằng redox của tế bào. Phản ứng của tế bào đối với những thay đổi redox như vậy và sức mạnh khử bổ sung có sẵn cho tế bào có thể được khai thác để sản xuất các chuyển hóa mong muốn. Trong bối cảnh lên men vi sinh vật, các kỹ thuật điện sinh hóa này có thể được sử dụng để cải thiện năng suất sản phẩm và/hoặc năng suất sản xuất. Chúng tôi đã phát triển một phương pháp để đặc trưng hóa vai trò của điện tổng hợp sinh học trong sản xuất hóa chất bằng cách sử dụng mô hình chuyển hóa quy mô gen của E. coli. Kết quả trong bài báo này làm sáng tỏ vai trò của điện tổng hợp sinh học và tác động của nó đến sự phát triển sinh khối, năng suất ATP tế bào và sản xuất sinh hóa. Kết quả cũng gợi ý rằng các chiến lược thiết kế chủng có thể thay đổi cho các quy trình lên men sử dụng điện tổng hợp vi sinh vật và gợi ý rằng các chiến lược hoạt động động dẫn đến tối đa hóa năng suất. Kết quả trong bài báo này cung cấp một sự hiểu biết có hệ thống về lợi ích và hạn chế của các kỹ thuật điện sinh hóa cho sản xuất sinh hóa và nhấn mạnh cách mà sự gia tăng điện có thể ảnh hưởng đến chuyển hóa tế bào và sản xuất sinh hóa.
Từ khóa
#kỹ thuật điều chỉnh chuyển hóa #điện tổng hợp vi sinh vật #NADH #sản xuất hóa chất #điện sinh hóaTài liệu tham khảo
Keasling JD: Manufacturing Molecules Through Metabolic Engineering. Science. 2010, 330: 1355-1358. 10.1126/science.1193990.
Stephanopoulos G: Challenges in engineering microbes for biofuels production. Science (New York, N.Y.). 2007, 315: 801-4. 10.1126/science.1139612.
Jarboe LR, Zhang X, Wang X, et al: Metabolic engineering for production of biorenewable fuels and chemicals: contributions of synthetic biology. Journal of biomedicine & biotechnology. 2010, 2010: 761042-
Li H, Cann AF, Liao JC: Biofuels: Biomolecular Engineering Fundamentals and Advances. Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 2010, 1: 19-36. 10.1146/annurev-chembioeng-073009-100938.
Singh A, Cher Soh K, Hatzimanikatis V, Gill RT: Manipulating redox and ATP balancing for improved production of succinate in E. coli. Metabolic engineering. 2011, 13: 76-81. 10.1016/j.ymben.2010.10.006.
Berríos-Rivera SJ, Bennett GN, San K-Y: Metabolic Engineering of Escherichia coli: Increase of NADH Availability by Overexpressing an NAD+-Dependent Formate Dehydrogenase. Metabolic Engineering. 2002, 4: 217-229. 10.1006/mben.2002.0227.
San K-Y, Bennett GN, Berríos-Rivera SJ, et al: Metabolic engineering through cofactor manipulation and its effects on metabolic flux redistribution in Escherichia coli. Metabolic engineering. 2002, 4: 182-92. 10.1006/mben.2001.0220.
Chemler JA, Fowler ZL, McHugh KP, Koffas MAG: Improving NADPH availability for natural product biosynthesis in Escherichia coli by metabolic engineering. Metabolic engineering. 2010, 12: 96-104. 10.1016/j.ymben.2009.07.003.
Fasan R, Crook NC, Peters MW, et al: Improved product-per-glucose yields in P450-dependent propane biotransformations using engineered Escherichia coli. Biotechnology and bioengineering. 2010, 108: 500-510.
Chin JW, Khankal R, Monroe CA, Maranas CD, Cirino PC: Analysis of NADPH supply during xylitol production by engineered Escherichia coli. Biotechnology and bioengineering. 2009, 102: 209-20. 10.1002/bit.22060.
Shin HS, Zeikus JG, Jain MK: Electrically enhanced ethanol fermentation by Clostridium thermocellum and Saccharomyces cerevisiae. Applied microbiology and biotechnology. 2002, 58: 476-81. 10.1007/s00253-001-0923-2.
Kim T, Kim B: Electron flow shift in Clostridium acetobutylicum fermentation by electrochemically introduced reducing equivalent. Biotechnology Letters. 1988, i: 123-128.
Park DH, Zeikus JG: Utilization of electrically reduced neutral red by Actinobacillus succinogenes: physiological function of neutral red in membrane-driven fumarate reduction and energy conservation. Journal of bacteriology. 1999, 181: 2403-10.
Peguin S, Soucaille P: Modulation of Metabolism of Clostridium acetobutylicum Grown in Chemostat Culture in a Three-Electrode Potentiostatic System with Methyl Viologen as Electron Carrier. Biotechnology and Bioengineering. 1996, 51: 342-348. 10.1002/(SICI)1097-0290(19960805)51:3<342::AID-BIT9>3.0.CO;2-D.
Park SM, Sang BI, Park DW, Park DH: Electrochemical reduction of xylose to xylitol by whole cells or crude enzyme of Candida peltata. Journal of microbiology (Seoul, Korea). 2005, 43: 451-5.
Rabaey K, Rozendal RA: Microbial electrosynthesis - revisiting the electrical route for microbial production. Nature reviews Microbiology. 2010, 8: 706-16. 10.1038/nrmicro2422.
Hongo MI: Application of electro-energizing method to L-glutamic acid fermentation. Agric Biol Chem. 1979, 43: 2075-2081. 10.1271/bbb1961.43.2075.
Gregory KB, Bond DR, Lovley DR: Graphite electrodes as electron donors for anaerobic respiration. Environmental microbiology. 2004, 6: 596-604. 10.1111/j.1462-2920.2004.00593.x.
Nevin KP, Woodard TL, Franks AE, Summers ZM, Lovley DR: Microbial Electrosynthesis: Feeding Microbes Electricity To Convert Carbon Dioxide and Water to Multicarbon Extracellular Organic Compounds. mBio. 2010, 1: e00103-10-e00103-10. 10.1128/mBio.00103-10.
Burgard AP, Pharkya P, Maranas CD: Optknock: a bilevel programming framework for identifying gene knockout strategies for microbial strain optimization. Biotechnology and bioengineering. 2003, 84: 647-57. 10.1002/bit.10803.
Ranganathan S, Suthers PF, Maranas CD: OptForce: An Optimization Procedure for Identifying All Genetic Manipulations Leading to Targeted Overproductions. PLoS Computational Biology. 2010, 6: e1000744-10.1371/journal.pcbi.1000744.
Yang L, Cluett WR, Mahadevan R: Rapid design of system-wide metabolic network modifications using iterative linear programming. Dynamics and Control. 2010, 377-382. 10.3182/20100705-3-BE-2011.00065.
Feist AM, Henry CS, Reed JL, et al: A genome-scale metabolic reconstruction for Escherichia coli K-12 MG1655 that accounts for 1260 ORFs and thermodynamic information. Molecular systems biology. 2007, 3: 121-
Xie XH, Li EL, Tang ZK: Sudden Emergence of Redox Active Escherichia coli Phenotype: Cyclic Voltammetric Evidence of the Overlapping Pathways. Int J Electrochem Sci. 2010, 5: 1070-1081.
Xie XH, Li EL, Tang ZK: Redox modulation and non-invasive evaluation of phenotypic adaptation of Escherichia coli Biofilm. Int J Electrochem Sci. 2010, 5: 1379-1389.
Jensen HM, Albers AE, Malley KR, Londer YY, Cohen BE, Helms BA, Weigele P, Groves JT, Ajo-Franklin CM, et al: Engineering of a synthetic electron conduit in living cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 2010, 107 (45): 19213-8. 10.1073/pnas.1009645107.
Brasseur G, Bruscella P, Bonnefoy V, Lemesle-Meunier D: The bc(1) complex of the iron-grown acidophilic chemolithotrophic bacterium Acidithiobacillus ferrooxidans functions in the reverse but not in the forward direction. Is there a second bc(1) complex?. Biochimica et biophysica acta. 2002, 1555: 37-43. 10.1016/S0005-2728(02)00251-7.
Valdés J, Pedroso I, Quatrini R, et al: Acidithiobacillus ferrooxidans metabolism: from genome sequence to industrial applications. BMC genomics. 2008, 9: 597-10.1186/1471-2164-9-597.
Elbehti A, Brasseur G, Lemesle-Meunier D: First evidence for existence of an uphill electron transfer through the bc(1) and NADH-Q oxidoreductase complexes of the acidophilic obligate chemolithotrophic ferrous ion-oxidizing bacterium Thiobacillus ferrooxidans. Journal of bacteriology. 2000, 182: 3602-6. 10.1128/JB.182.12.3602-3606.2000.
Park DH, Zeikus JG: Electricity generation in microbial fuel cells using neutral red as an electronophore. Applied and environmental microbiology. 2000, 66: 1292-7. 10.1128/AEM.66.4.1292-1297.2000.
Gescher JS, Cordova CD, Spormann AM: Dissimilatory iron reduction in Escherichia coli: identification of CymA of Shewanella oneidensis and NapC of E. coli as ferric reductases. Molecular microbiology. 2008, 68: 706-19. 10.1111/j.1365-2958.2008.06183.x.
Bond DR, Lovley DR: Electricity Production by Geobacter sulfurreducens Attached to Electrodes. Appl Environ Microbiol . 2003, 69: 1548-1555. 10.1128/AEM.69.3.1548-1555.2003.
Varma A, Palsson BO: Stoichiometric flux balance models quantitatively predict growth and metabolic by-product secretion in wild-type Escherichia coli W3110. Applied and environmental microbiology. 1994, 60: 3724-31.
Varma A, Palsson B: Metabolic flux balancing: basic concepts, scientific and practical use. Nature Biotechnology. 1994, 12: 994-998. 10.1038/nbt1094-994.
Becker Sa, Feist AM, Mo ML, et al: Quantitative prediction of cellular metabolism with constraint-based models: the COBRA Toolbox. Nature protocols. 2007, 2: 727-38. 10.1038/nprot.2007.99.
Feist AM, Zielinski DC, Orth JD, et al: Model-driven evaluation of the production potential for growth-coupled products of Escherichia coli. Metabolic engineering. 2010, 12: 173-86. 10.1016/j.ymben.2009.10.003.
da Silva GP, Mack M, Contiero J: Glycerol: a promising and abundant carbon source for industrial microbiology. Biotechnology Advances. 2009, 27: 30-39. 10.1016/j.biotechadv.2008.07.006.
Nakamura CE, Whited GM: Metabolic engineering for the microbial production of 1, 3-propanediol. Current opinion in biotechnology. 2003, 14: 454-459. 10.1016/j.copbio.2003.08.005.
Atsumi S, Cann AF, Connor MR, et al: Metabolic engineering of Escherichia coli for 1-butanol production. Metabolic engineering. 2008, 10: 305-11. 10.1016/j.ymben.2007.08.003.
Burgard A, Dien SV, Burk M: Methods and organisms for the growth-coupled production of 1, 4-butanediol. WO Patent WO/2009/023,493. 2009, 111-
Werpy T, Petersen G, Aden A, Bozell J, Holladay J, White J, Manheim A, Eliot D, Lasure L, Jones S: Top Value Added Chemicals from Biomass Volume I -- Results of Screening for Potential Candidates from Sugars and Synthesis Gas Top Value Added Chemicals From Biomass Volume I: Results of Screening for Potential Candidates. US Department of Energy. 2004
Kasimoglu E, Park SJ, Malek J, Tseng CP, Gunsalus RP: Transcriptional regulation of the proton-translocating ATPase (atpIBEFHAGDC) operon of Escherichia coli: control by cell growth rate. Journal of bacteriology. 1996, 178: 5563-7.
Travick JD, Burk M, Burgard AP: Microorganisms and Methods for Conversion of Syngas and Other Carbon Sources to Useful Products. 2010
Ragsdale SW, Pierce E: Acetogenesis and the Wood-Ljungdahl pathway of CO2 fixation. Biochimica et biophysica acta. 2008, 1784: 1873-98.
Logan BE: Exoelectrogenic bacteria that power microbial fuel cells. Nature reviews Microbiology. 2009, 7: 375-81. 10.1038/nrmicro2113.
Inoue K, Leang C, Franks AE, Woodward TL, Nevin KP, Lovley DR, et al: Specific localization of the c-type cytochrome OmcZ at the anode surface in current-producing biofilms of Geobacter sulfurreducens. Environmental Microbiology Reports. 2011, 3: 211-217. 10.1111/j.1758-2229.2010.00210.x.
Flynn JM, Ross DE, Hunt KA, Bond DR, Gralnick JA: Enabling unbalanced fermentations by using engineered electrode-interfaced bacteria. mBio. 2010, 1: e00190-10.
Millard CS, Chao YP, Liao JC, Donnelly MI: Enhanced production of succinic acid by overexpression of phosphoenolpyruvate carboxylase in Escherichia coli. Applied and environmental microbiology. 1996, 62: 1808-10.
Anesiadis N, Cluett WR, Mahadevan R: Dynamic metabolic engineering for increasing bioprocess productivity. Metabolic engineering. 2008, 10: 255-66. 10.1016/j.ymben.2008.06.004.