Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Sản xuất alkanes từ CO2 bởi vi khuẩn được thiết kế
Tóm tắt
Việc tổng hợp alkanes từ vi sinh vật được coi là một phương pháp tiềm năng cho sản xuất bền vững nhiên liệu và hóa chất thay thế. Carbon dioxide đóng vai trò như một nguồn carbon lý tưởng cho các hệ thống sản xuất này, nhưng việc sản xuất hiệu quả các chuỗi carbon dài từ CO2 là điều khó thực hiện trong một sinh vật duy nhất. Một giải pháp khả thi là sử dụng vi khuẩn acetogenic để giảm CO2 thành acetate, và thiết kế một sinh vật thứ hai để chuyển đổi acetate thành hydrocarbon chuỗi dài. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã chứng minh khả năng sản xuất alkanes từ CO2 thông qua một hệ thống kết hợp giữa vi khuẩn acetogen Acetobacterium woodii và một nhà sản xuất alkanes không phải bản địa Acinetobacter baylyi ADP1 được thiết kế cho sản xuất alkanes. Chín con đường biosynthesis alkanes hai bước tổng hợp gồm các enzyme sản xuất aldehyde và alkanes khác nhau đã được xây dựng kết hợp và biểu hiện trong A. baylyi. Các enzyme sản xuất aldehyde được nghiên cứu bao gồm AAR từ Synechococcus elongatus, Acr1 từ A. baylyi, và một dehydrogenase khả năng từ Nevskia ramosa. Các enzyme sản xuất alkanes là ADO từ S. elongatus và Nostoc punctiforme, và CER1 từ Arabidopsis thaliana. Hiệu suất của các con đường này được đánh giá bằng một cảm biến sinh học hai lớp, cho phép theo dõi cả sản phẩm trung gian (aldehyde béo) và sản phẩm cuối (alkane). Sản xuất alkanes cao nhất, theo như cảm biến sinh học chỉ ra, đạt được với một con đường bao gồm AAR và ADO từ S. elongatus. Hiệu suất của con đường này được cải thiện hơn nữa bằng cách cân bằng mức độ biểu hiện tương đối của các enzyme để hạn chế sự tích tụ aldehyde béo trung gian. Cuối cùng, vi khuẩn acetogen A. woodii đã được sử dụng để sản xuất acetate từ CO2 và H2, và acetate này đã được sử dụng cho sản xuất alkanes bởi A. baylyi đã được thiết kế, dẫn đến việc sản xuất ròng alkanes chuỗi dài từ CO2. Một hệ thống mô-đun cho sản xuất nhiên liệu lỏng thay thế từ CO2 đã được chứng minh. Trong số các con đường tổng hợp được nghiên cứu, sự kết hợp của ADO và AAR từ S. elongatus được cho là hiệu quả nhất trong sản xuất alkanes dị hợp ở A. baylyi. Hơn nữa, việc hạn chế sự tích tụ của sản phẩm trung gian aldehyde béo được cho là có lợi cho việc sản xuất alkanes. Tuy nhiên, năng suất alkanes của hệ thống vẫn ở mức thấp, đại diện cho một thách thức lớn cho các nghiên cứu trong tương lai.
Từ khóa
#biotechnology #microbial biosynthesis #CO2 utilization #alkanes #acetate #metabolic engineeringTài liệu tham khảo
Lee SY, Kim HM, Cheon S. Metabolic engineering for the production of hydrocarbon fuels. Curr Opin Biotechnol. 2015;33:15–22.
Kallio P, Pásztor A, Akhtar MK, Jones PR. Renewable jet fuel. Curr Opin Biotechnol. 2014;26:50–5.
Claassens NJ, Sousa DZ, Dos Santos VAPM, De Vos WM, Van Der Oost J. Harnessing the power of microbial autotrophy. Nat Rev Microbiol. 2016;14:692–706.
Cotton CA, Edlich-Muth C, Bar-Even A. Reinforcing carbon fixation: CO2 reduction replacing and supporting carboxylation. Curr Opin Biotechnol. 2018;49:49–56.
Fast AG, Papoutsakis ET. Stoichiometric and energetic analyses of non-photosynthetic CO2-fixation pathways to support synthetic biology strategies for production of fuels and chemicals. Curr Opin Chem Eng. 2012;1:380–95.
Drake HL, Gößner AS, Daniel SL. Old acetogens, new light. Ann NY Acad Sci. 2008;1125:100–28.
Schuchmann K, Müller V. Autotrophy at the thermodynamic limit of life: a model for energy conservation in acetogenic bacteria. Nat Rev Microbiol. 2014;12:809–21.
Tremblay P-L, Angenent LT, Zhang T. Extracellular electron uptake: among autotrophs and mediated by surfaces. Trends Biotechnol. 2017;35:360–71.
Liew F, Martin E, Tappel R, Heijstra B, Mihalcea C, Köpke M. Gas fermentation—a flexible platform for commercial scale production of low carbon fuels and chemicals from waste and renewable feedstocks. Front Microbiol. 2016;7:694.
Bertsch J, Müller V. Bioenergetic constraints for conversion of syngas to biofuels in acetogenic bacteria. Biotechnol Biofuels. 2015;8:210.
Rabaey K, Girguis P, Nielsen LK. Metabolic and practical considerations on microbial electrosynthesis. Curr Opin Biotechnol. 2011;22:371–7.
Lehtinen T, Efimova E, Tremblay PLP, Santala S, Zhang T, Santala V. Production of long chain alkyl esters from carbon dioxide and electricity by a two-stage bacterial process. Bioresour Technol. 2017;243:30–6.
Hu P, Chakraborty S, Kumar A, Woolston BM, Liu H, Emerson D, et al. Integrated bioprocess for conversion of gaseous substrates to liquids. Proc Natl Acad Sci. 2016;113:3773–8.
Steinbusch KJJ, Hamelers HVM, Plugge CM, Buisman CJN. Biological formation of caproate and caprylate from acetate: fuel and chemical production from low grade biomass. Energy Environ Sci. 2011;4:216–24.
Schirmer A, Rude MA, Li X, Popova E, del Cardayre SB. Microbial biosynthesis of alkanes. Science (80−). 2010;329:559–62.
Akhtar MK, Turner NJ, Jones PR. Carboxylic acid reductase is a versatile enzyme for the conversion of fatty acids into fuels and chemical commodities. Proc Natl Acad Sci USA. 2013;110:87–92.
Meighen EA. Molecular biology of bacterial bioluminescence. Microbiol Rev. 1991;55:123–42.
Reiser S, Somerville C. Isolation of mutants of Acinetobacter calcoaceticus deficient in wax ester synthesis and complementation of one mutation with a gene encoding a fatty acyl coenzyme A reductase. J Bacteriol Am Soc Microbiol. 1997;179:2969–75.
Choi YJ, Lee SY. Microbial production of short-chain alkanes. Nature. 2013;502:571–4.
Bernard A, Domergue F, Pascal S, Jetter R, Renne C, Faure J, et al. Reconstitution of plant alkane biosynthesis in yeast demonstrates that arabidopsis ECERIFERUM1 and ECERIFERUM3 are core components of a very-long-chain alkane synthesis complex. Plant Cell. 2012;24:3106–18.
Marsh ENG, Waugh MW. Aldehyde decarbonylases: enigmatic enzymes of hydrocarbon biosynthesis. ACS Catal. 2013;3:2515–21.
Kunjapur AM, Prather KLJ. Microbial engineering for aldehyde synthesis. Appl Environ Microbiol. 2015;81:1892–901.
Rodriguez GM, Atsumi S. Toward aldehyde and alkane production by removing aldehyde reductase activity in Escherichia coli. Metab Eng. 2014;25:227–37.
Ishige T, Tani A, Sakai Y, Kato N. Long-chain aldehyde dehydrogenase that participates in n-alkane utilization and wax ester synthesis in Acinetobacter sp. strain M-1. Appl Environ Microbiol. 2000;66:3481–6.
Kudo H, Nawa R, Hayashi Y, Arai M. Comparison of aldehyde-producing activities of cyanobacterial acyl-(acyl carrier protein) reductases. Biotechnol Biofuels. 2016;9:1–15.
Patrikainen P, Carbonell V, Thiel K, Aro E-M, Kallio P. Comparison of orthologous cyanobacterial aldehyde deformylating oxygenases in the production of volatile C3–C7 alkanes in engineered E. coli. Metab Eng Commun. 2017;5:9–18.
Warui DM, Pandelia ME, Rajakovich LJ, Krebs C, Bollinger JM, Booker SJ. Efficient delivery of long-chain fatty aldehydes from the nostoc punctiforme acyl–acyl carrier protein reductase to its cognate aldehyde-deformylating oxygenase. Biochemistry. 2015;54:1006–15.
Lehtinen T, Santala V, Santala S. Twin-layer biosensor for real-time monitoring of alkane metabolism. FEMS Microbiol Lett. 2017;364:1–7.
Elliott KT, Neidle EL. Acinetobacter baylyi ADP1: transforming the choice of model organism. IUBMB Life. 2011;63:1075–80.
de Berardinis V, Durot M, Weissenbach J, Salanoubat M. Acinetobacter baylyi ADP1 as a model for metabolic system biology. Curr Opin Microbiol. 2009;12:568–76.
Santala S, Karp M, Santala V. Rationally engineered synthetic coculture for improved biomass and product formation. PLoS ONE. 2014;9:1–16.
Santala S, Efimova E, Kivinen V, Larjo A, Aho T, Karp M, et al. Improved triacylglycerol production in Acinetobacter baylyi ADP1 by metabolic engineering. Microb Cell Fact. 2011;10:36.
Kannisto M, Aho T, Karp M, Santala V. Metabolic engineering of Acinetobacter baylyi ADP1 for improved growth on gluconate and glucose. Appl Environ Microbiol. 2014;80:7021–7.
Santala S, Efimova E, Karp M, Santala V. Real-time monitoring of intracellular wax ester metabolism. Microb Cell Fact. 2011;10:75.
Lehtinen T, Efimova E, Santala S, Santala V. Improved fatty aldehyde and wax ester production by overexpression of fatty acyl-CoA reductases. Microb Cell Fact. 2018;17:19.
Ratajczak A, Geißdörfer W, Hillen W. Alkane hydroxylase from Acinetobacter sp. strain ADP1 is encoded by alkM and belongs to a new family of bacterial integral-membrane hydrocarbon hydroxylases. Appl Environ Microbiol. 1998;64:1175–9.
Trček J, Mira NP, Jarboe LR. Adaptation and tolerance of bacteria against acetic acid. Appl Microbiol Biotechnol. 2015;99:6215–29.
Du Preez JC, Toerien DF, Lategan PM. Growth parameters of Acinetobacter calcoaceticus on acetate and ethanol. Eur J Appl Microbiol Biotechnol. 1981;13:45–53.
Kantzow C, Mayer A, Weuster-Botz D. Continuous gas fermentation by Acetobacterium woodii in a submerged membrane reactor with full cell retention. J Biotechnol. 2015;212:11–8.
Bajracharya S, Srikanth S, Mohanakrishna G, Zacharia R, Strik DP, Pant D. Biotransformation of carbon dioxide in bioelectrochemical systems: state of the art and future prospects. J Power Sourc. 2017;356:256–73.
Kang MK, Nielsen J. Biobased production of alkanes and alkenes through metabolic engineering of microorganisms. J Ind Microbiol Biotechnol. 2017. https://doi.org/10.1007/s10295-016-1814-y.
Jones JA, Toparlak TD, Koffas MAG. Metabolic pathway balancing and its role in the production of biofuels and chemicals. Curr Opin Biotechnol. 2015;33:52–9.
Cao YX, Xiao WH, Zhang JL, Xie ZX, Ding MZ, Yuan YJ. Heterologous biosynthesis and manipulation of alkanes in Escherichia coli. Metab Eng. 2016;38:19–28.
Wu W, Zhang L, Yao L, Tan X, Liu X, Lu X. Genetically assembled fluorescent biosensor for in situ detection of bio-synthesized alkanes. Sci Rep. 2015;5:10907.
Zhang D, He Y, Wang Y, Wang H, Wu L, Aries E, et al. Whole-cell bacterial bioreporter for actively searching and sensing of alkanes and oil spills. Microb Biotechnol. 2012;5:87–97.
Kallio P, Pásztor A, Thiel K, Akhtar MK, Jones PR. An engineered pathway for the biosynthesis of renewable propane. Nat Commun. 2014;5:4731.
Srikanth S, Singh D, Vanbroekhoven K, Pant D, Kumar M, Puri SK, et al. Electro-biocatalytic conversion of carbon dioxide to alcohols using gas diffusion electrode. Bioresour Technol. 2018;265:45–51.
Liu C, Gallagher JJ, Sakimoto KK, Nichols EM, Christopher J, Chang CJ, et al. Nanowire-bacteria hybrids for unassisted solar carbon dioxide fixation to value-added chemicals. Nano Lett. 2015;15:3634–9.
Fatma Z, Hartman H, Poolman MG, Fell DA, Srivastava S, Shakeel T, et al. Model-assisted metabolic engineering of Escherichia coli for long chain alkane and alcohol production. Metab Eng. 2018;46:1–12.
Crépin L, Lombard E, Guillouet SE. Metabolic engineering of Cupriavidus necator for heterotrophic and autotrophic alka(e)ne production. Metab Eng. 2016;37:92–101.
Straub M, Demler M, Weuster-Botz D, Dürre P. Selective enhancement of autotrophic acetate production with genetically modified Acetobacterium woodii. J Biotechnol. 2014;178:67–72.
Murin CD, Segal K, Bryksin A, Matsumura I. Expression vectors for Acinetobacter baylyi ADP1. Appl Environ Microbiol. 2012;78:280–3.