Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Cải thiện chủng và quy trình sinh học của một vi khuẩn kỵ khí ưa nhiệt để sản xuất ethanol từ gỗ
Tóm tắt
Vi khuẩn kỵ khí ưa nhiệt Thermoanaerobacterium saccharolyticum phân giải hemicellulose và sử dụng các đường chính có trong sinh khối. Vi khuẩn này đã được kỹ thuật hóa trước đó để sản xuất ethanol với năng suất tương đương với men. Trong khi đó, các vi khuẩn kỵ khí saccharolytic đã được nghiên cứu từ lâu như là những sinh vật có khả năng lên men sinh khối, nhưng các nỗ lực phát triển cho sản xuất ethanol thương mại chưa được báo cáo. Ở đây, chúng tôi mô tả các năng suất ethanol cao nhất đạt được từ T. saccharolyticum trong dự án 4 năm nhằm phát triển vào sản xuất công nghiệp ethanol từ gỗ xử lý trước ở nhiệt độ 51–55 °C. Chúng tôi mô tả những nỗ lực phát triển sinh vật và quy trình sinh học được thực hiện để cải thiện sản xuất ethanol. Chủng cuối cùng M2886 được tạo ra bằng cách loại bỏ các gen tổng hợp exopolysaccharide, bộ điều chỉnh perR, và tái giới thiệu phosphotransacetylase và acetate kinase vào gen synthase methylglyoxal. Nó cũng đã trải qua nhiều vòng thích nghi và lựa chọn, dẫn đến các đột biến sau đó được xác định thông qua giải trình tự lại. Năng suất ethanol cao nhất đạt được là 70 g/L trong điều kiện nuôi cấy lô với sự kết hợp giữa cellobiose và maltodextrin. Trong một “Dịch thủy phân giả” thông qua Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF) với Sigmacell-20, glucose, xylose, và axit acetic, một năng suất ethanol là 61 g/L đã được đạt được, tương đương 92% năng suất lý thuyết. Các cellulase từ nấm nhanh chóng bị vô hiệu hóa trong điều kiện này và phải được bổ sung thêm cellulosomes từ C. thermocellum. Năng suất ethanol đạt được là 31 g/L trong một quá trình SSF 100 L từ gỗ đã xử lý và 26 g/L trong một quá trình lên men chiết xuất hemicellulose từ gỗ. Nghiên cứu này chứng minh rằng các vi khuẩn kỵ khí ưa nhiệt có khả năng sản xuất ethanol với năng suất cao và đạt năng suất lớn hơn 60 g/L từ các chất nền tinh khiết, nhưng cần phải có thêm công việc để sản xuất những năng suất ethanol tương tự từ gỗ đã xử lý.
Từ khóa
#Thermoanaerobacterium saccharolyticum #ethanol #kỵ khí #vi khuẩn ưa nhiệt #sản xuất ethanol #sinh khối #hemicellulose #lên menTài liệu tham khảo
Zacchi G, Axelsson A. Economic evaluation of preconcentration in production of ethanol from dilute sugar solutions. Biotechnol Bioeng. 1989;34:223–33.
Lynd LR, Weimer PJ, van Zyl WH, Pretorius IS. Microbial cellulose utilization: fundamentals and biotechnology. Microbiol Mol Biol Rev. 2002;66:506–77.
Humbird D, Davis R, Tao L, Kinchin C, Hsu D, Aden A, Schoen P, Lukas J, Olthof B, Worley M, Sexton D, Dudgeon D. Process design and economics for conversion of lignocellulosic biomass to ethanol. NREL technical report NREL/TP-5100–51400. 2011.
Laser M, Jin H, Jayawardhana K, Dale BE, Lynd LR. Projected mature technology scenarios for conversion of cellulosic biomass to ethanol with coproduction thermochemical fuels, power, and/or animal feed protein. Biofuels Bioprod Biorefin. 2009;3:231–46.
Paye J, Guseva A, Hammer S, Gjersing E, Davis M, Davison B, Olstad J, Donohoe B, Nguyen T, Wyman C, Pattathil S, Hahn M, Lynd L. Biological lignocellulose solubilization: comparative evaluation of biocatalysts and enhancement via cotreatment. Biotechnol Biofuels. 2016;9:8.
Shaw AJ, Podkaminer KK, Desai SG, Bardsley JS, Rogers SR, Thorne PG, Hogsett D, Lynd LR. Metabolic engineering of a thermophilic bacterium to produce ethanol at high yield. Proc Natl Acad Sci USA. 2008;105:13769–74.
Shaw AJ, Hogsett DA, Lynd LR. Natural competence in thermoanaerobacter and thermoanaerobacterium species. Appl Environ Microbiol. 2010;76:4713–9.
Currie DH, Raman B, Gowen CM, Tschaplinski TJ, Land ML, Brown SD, Covalla SF, Klingeman DM, Yang ZK, Engle NL, Johnson CM, Rodriguez M, Shaw a J, Kenealy WR, Lynd LR, Fong SS, Mielenz JR, Davison BH, Hogsett D, Herring CD. Genome-scale resources for Thermoanaerobacterium saccharolyticum. BMC Syst Biol. 2015;9:30.
Shaw AJ, Covalla SF, Miller BB, Firliet BT, Hogsett DA, Herring CD. Urease expression in a Thermoanaerobacterium saccharolyticum ethanologen allows high titer ethanol production. Metab Eng. 2012;14:528–32.
Herring C, Kenealy W, Shaw A, Raman B, Tschaplinski T, Brown S, Davison B, Covalla S, Sillers W, Xu H, Tsakraklides V, Hogsett D. Final report on development of Thermoanaerobacterium saccharolyticum for the conversion of lignocellulose to ethanol. US Dep Energy Tech Rep DOE/GO/017057-1 2012.
Podkaminer KK, Kenealy WR, Herring CD, Hogsett DA, Lynd LR. Ethanol and anaerobic conditions reversibly inhibit commercial cellulase activity in thermophilic simultaneous saccharification and fermentation (tSSF). Biotechnol Biofuels. 2012;5:43.
Currie DH, Herring CD, Guss AM, Olson DG, Hogsett DA, Lynd LR. Functional heterologous expression of an engineered full length CipA from Clostridium thermocellum in Thermoanaerobacterium saccharolyticum. Biotechnol Biofuels. 2013;6:32.
Shaw AJ, Covalla SF, Hogsett DA, Herring CD. Marker removal system for Thermoanaerobacterium saccharolyticum and development of a markerless ethanologen. Appl Environ Microbiol. 2011;77:2534–6.
Kacmar J, Gilbert A, Cockrell J, Srienc F. The cytostat: a new way to study cell physiology in a precisely defined environment. J Biotechnol. 2006;126:163–72.
Borden JR, Papoutsakis ET. Dynamics of genomic-library enrichment and identification of solvent tolerance genes for Clostridium acetobutylicum. Appl Environ Microbiol. 2007;73:3061–8.
Shaw AJ, Miller BB, Rogers SR, Kenealy WR, Meola A, Bhandiwad A, Sillers WR, Shikhare I, Hogsett DA, Herring CD. Anaerobic detoxification of acetic acid in a thermophilic ethanologen. Biotechnol Biofuels. 2015;8:75.
Hillmann F, Fischer R-J, Saint-Prix F, Girbal L, Bahl H. PerR acts as a switch for oxygen tolerance in the strict anaerobe Clostridium acetobutylicum. Mol Microbiol. 2008;68:848–60.
Russell JB. Glucose toxicity in Prevotella ruminicola: methylglyoxal accumulation and its effect on membrane physiology. Appl Environ Microbiol. 1993;59:2844–50.
Zhou J, Olson DG, Lanahan AA, Tian L, Murphy SJL, Lo J, Lynd LR. Physiological roles of pyruvate ferredoxin oxidoreductase and pyruvate formate-lyase in Thermoanaerobacterium saccharolyticum JW/SL-YS485. Biotechnol Biofuels. 2015;8:138.
Currie DH, Guss AM, Herring CD, Giannone RJ, Johnson CM, Lankford PK, Brown SD, Hettich RL, Lynd LR. Profile of secreted hydrolases, associated proteins, and SlpA in Thermoanaerobacterium saccharolyticum during the degradation of hemicellulose. Appl Environ Microbiol. 2014;80:5001–11.
Olson DG, McBride JE, Shaw AJ, Lynd LR. Recent progress in consolidated bioprocessing. Curr Opin Biotechnol. 2012;23(3):396–405.
Lynd LR, Guss AM, Beri D, Herring C, Holwerda EK, Murphy SJ, Olson DG, Paye J, Rydzak T, Shao X, Tian L, Worthen R. Advances in consolidated bioprocessing using Clostridium thermocellum and Thermoanaerobacterium saccharolyticum. In: Liao J, Wittmann C, editors. Industrial biotechnology. Weinheim: Wiley-VCH; 2016.
Cray JA, Stevenson A, Ball P, Bankar SB, Eleutherio ECA, Ezeji TC, Singhal RS, Thevelein JM, Timson DJ, Hallsworth JE. Chaotropicity: a key factor in product tolerance of biofuel-producing microorganisms. Curr Opin Biotechnol. 2015;49:228–59.
Shanks RMQ, Caiazza NC, Hinsa SM, Toutain CM, O’Toole GA. Saccharomyces cerevisiae-based molecular tool kit for manipulation of genes from gram-negative bacteria. Appl Environ Microbiol. 2006;72:5027–36.
Altschul SF, Gish W, Miller W, Myers EW, Lipman DJ. Basic local alignment search tool. J Mol Biol. 1990;13:403–10.