Đặc điểm proteomic của đột biến Chlamydomonas reinhardtii tích lũy lutein cao cho thấy các yếu tố liên quan đến bảo vệ ánh sáng là mục tiêu để tăng cường hàm lượng carotenoid trong tế bào Dịch bởi AI Biotechnology for Biofuels and Bioproducts - Tập 16 - Trang 1-21 - 2023
Josie L. McQuillan, Edoardo Andrea Cutolo, Caroline Evans, Jagroop Pandhal
Vi tảo đang nổi lên như là các đối tượng tiềm năng cho sản xuất bền vững lutein, một loại carotenoid giá trị cao; tuy nhiên, để cạnh tranh thương mại với các hệ thống hiện có, khả năng giữ lutein của chúng cần phải được tăng cường. Những nỗ lực trước đó nhằm nâng cao sản xuất lutein ở vi tảo tập trung vào việc tăng cường các enzyme sinh tổng hợp carotenoid, một phần do thiếu các mục tiêu kỹ thuật di truyền để mở rộng kho dự trữ lutein. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phân lập một đột biến sản xuất lutein cao của vi tảo xanh mô hình Chlamydomonas reinhardtii và đặc trưng hóa các cơ chế chuyển hóa thúc đẩy sự tích lũy lutein tăng cường của nó thông qua proteomics định lượng không nhãn. Các đột biến C. reinhardtii chống lại norflurazon và ánh sáng mạnh đã được sàng lọc để cho ra bốn dòng đột biến sản xuất lutein nhiều hơn đáng kể so với chủng cha CC-125. Đột biến 5 (Mut-5) thể hiện sự tăng 5.4 lần về hàm lượng lutein trên mỗi tế bào, đây là mức tăng cao nhất của lutein trong C. reinhardtii do đột biến hoặc kỹ thuật di truyền cho đến nay. Proteomics so sánh của Mut-5 với chủng cha CC-125 cho thấy sự gia tăng số lượng protein giống như phức hợp thu nhận ánh sáng tham gia vào bảo vệ ánh sáng, bên cạnh những khác biệt trong sinh tổng hợp sắc tố, chuyển hóa carbon trung tâm và dịch mã. Việc đặc trưng hóa thêm Mut-5 dưới các điều kiện ánh sáng khác nhau cho thấy sự biểu hiện quá mức các protein bảo vệ ánh sáng như phức hợp thu nhận ánh sáng liên quan đến stress 1 (LHCSR1) và LHCSR3 và tiểu đơn vị PSII S không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng, cũng như sự gia tăng tích lũy chlorophyll tổng cộng và carotenoid khi cường độ ánh sáng tăng lên. Mặc dù hiệu suất quang hợp của Mut-5 tương đối thấp hơn so với CC-125, độ cao của phản ứng giảm ánh sáng không quang hóa của Mut-5 cao hơn 4.5 lần so với CC-125 ở cường độ ánh sáng thấp. Chúng tôi đã sử dụng C. reinhardtii như một vi tảo xanh mô hình và xác định các protein giống như phức hợp thu nhận ánh sáng (trong số những cái khác) như là các mục tiêu kỹ thuật di truyền tiềm năng để tăng cường sự tích lũy lutein trong vi tảo. Những protein này cũng có giá trị bổ sung trong việc làm tăng tính kháng với ánh sáng mạnh, mặc dù có thể làm giảm hiệu suất quang hợp. Việc đặc trưng hóa và kỹ thuật di truyền thêm cho Mut-5 có thể dẫn đến việc phát hiện ra các yếu tố chưa biết trong các cơ chế bảo vệ ánh sáng và phát triển một hệ thống sản xuất lutein vi tảo hiệu quả.
#vitảo #lutein #carotenoid #Chlamydomonas reinhardtii #bảo vệ ánh sáng
Ethanol tolerance in engineered strains of Clostridium thermocellumBiotechnology for Biofuels and Bioproducts -
Daniel G. Olson, Marybeth Maloney, Anthony A. Lanahan, Nicholas D. Cervenka, Ying Xia, Ángel de la Cruz Pech-Canul, Shuen Hon, Liang Tian, Samantha J. Ziegler, Yannick J. Bomble, Lee R. Lynd
AbstractClostridium thermocellum is a natively cellulolytic bacterium that is promising candidate for cellulosic biofuel production, and can produce ethanol at high yields (75–80% of theoretical) but the ethanol titers produced thus far are too low for commercial application. In several strains of C. thermocellum engineered for increased ethanol yield, ethanol titer seems to be limited by ethanol tolerance. Previous work to improve ethanol tolerance has focused on the WT organism. In this work, we focused on understanding ethanol tolerance in several engineered strains of C. thermocellum. We observed a tradeoff between ethanol tolerance and production. Adaptation for increased ethanol tolerance decreases ethanol production. Second, we observed a consistent genetic response to ethanol stress involving mutations at the AdhE locus. These mutations typically reduced NADH-linked ADH activity. About half of the ethanol tolerance phenotype could be attributed to the elimination of NADH-linked activity based on a targeted deletion of adhE. Finally, we observed that rich growth medium increases ethanol tolerance, but this effect is eliminated in an adhE deletion strain. Together, these suggest that ethanol inhibits growth and metabolism via a redox-imbalance mechanism. The improved understanding of mechanisms of ethanol tolerance described here lays a foundation for developing strains of C. thermocellum with improved ethanol production.
Enzymatic debranching is a key determinant of the xylan-degrading activity of family AA9 lytic polysaccharide monooxygenasesBiotechnology for Biofuels and Bioproducts - Tập 16 Số 1
Monika Tõlgo, Olav A. Hegnar, Johan Larsbrink, Francisco Vilaplana, Vincent G. H. Eijsink, Lisbeth Olsson
Abstract
Background
Previous studies have revealed that some Auxiliary Activity family 9 (AA9) lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs) oxidize and degrade certain types of xylans when incubated with mixtures of xylan and cellulose. Here, we demonstrate that the xylanolytic activities of two xylan-active LPMOs, TtLPMO9E and TtLPMO9G from Thermothielavioides terrestris, strongly depend on the presence of xylan substitutions.
Results
Using mixtures of phosphoric acid-swollen cellulose (PASC) and wheat arabinoxylan (WAX), we show that removal of arabinosyl substitutions with a GH62 arabinofuranosidase resulted in better adsorption of xylan to cellulose, and enabled LPMO-catalyzed cleavage of this xylan. Furthermore, experiments with mixtures of PASC and arabinoglucuronoxylan from spruce showed that debranching of xylan with the GH62 arabinofuranosidase and a GH115 glucuronidase promoted LPMO activity. Analyses of mixtures with PASC and (non-arabinosylated) beechwood glucuronoxylan showed that GH115 action promoted LPMO activity also on this xylan. Remarkably, when WAX was incubated with Avicel instead of PASC in the presence of the GH62, both xylan and cellulose degradation by the LPMO9 were impaired, showing that the formation of cellulose–xylan complexes and their susceptibility to LPMO action also depend on the properties of the cellulose. These debranching effects not only relate to modulation of the cellulose–xylan interaction, which influences the conformation and rigidity of the xylan, but likely also affect the LPMO–xylan interaction, because debranching changes the architecture of the xylan surface.
Conclusions
Our results shed new light on xylanolytic LPMO9 activity and on the functional interplay and possible synergies between the members of complex lignocellulolytic enzyme cocktails. These findings will be relevant for the development of future lignocellulolytic cocktails and biomaterials.
Enhanced bacterial cellulose production in Komagataeibacter sucrofermentans: impact of different PQQ-dependent dehydrogenase knockouts and ethanol supplementationBiotechnology for Biofuels and Bioproducts -
Pedro Montenegro-Silva, Tom Ellis, Fernando Dourado, Miguel Gama, Lucı́lia Domingues
Abstract
Background
Bacterial cellulose (BC) is a biocompatible material with unique mechanical properties, thus holding a significant industrial potential. Despite many acetic acid bacteria (AAB) being BC overproducers, cost-effective production remains a challenge. The role of pyrroloquinoline quinone (PQQ)-dependent membrane dehydrogenases (mDH) is crucial in the metabolism of AAB since it links substrate incomplete oxidation in the periplasm to energy generation. Specifically, glucose oxidation to gluconic acid substantially lowers environmental pH and hinders BC production. Conversely, ethanol supplementation is known to enhance BC yields in Komagataeibacter spp. by promoting efficient glucose utilization.
Results
K. sucrofermentans ATCC 700178 was engineered, knocking out the four PQQ-mDHs, to assess their impact on BC production. The strain KS003, lacking PQQ-dependent glucose dehydrogenase (PQQ-GDH), did not produce gluconic acid and exhibited a 5.77-fold increase in BC production with glucose as the sole carbon source, and a 2.26-fold increase under optimal ethanol supplementation conditions. In contrast, the strain KS004, deficient in the PQQ-dependent alcohol dehydrogenase (PQQ-ADH), showed no significant change in BC yield in the single carbon source experiment but showed a restrained benefit from ethanol supplementation.
Conclusions
The results underscore the critical influence of PQQ-GDH and PQQ-ADH and clarify the effect of ethanol supplementation on BC production in K. sucrofermentans ATCC 700178. This study provides a foundation for further metabolic pathway optimization, emphasizing the importance of diauxic ethanol metabolism for high BC production.
Liệu những con mối có đang ẩn chứa một kho báu của những giống nấm men tiềm năng để giải quyết khủng hoảng năng lượng từ các chất thải thơm? Một bài tổng quan hiện trạng chính Dịch bởi AI Biotechnology for Biofuels and Bioproducts - - 2022
Sameh S. Ali, Rania Al-Tohamy, Tarek M. Mohamed, Yehia A.-G. Mahmoud, Héctor A. Ruiz, Lushan Sun, Jianzhong Sun
Nhiên liệu sinh học là một loại nhiên liệu tái tạo có thể được sản xuất từ nhiều nguồn nhiên liệu hữu cơ và tái tạo khác nhau bao gồm dầu thực vật, mỡ động vật và các loại cây có chứa dầu. Trong những năm gần đây, các loại chất thải thơm dựa trên lignin, như các loại polyme chất thải thơm từ nông nghiệp hoặc nước thải nhuộm hữu cơ từ ngành công nghiệp dệt may, đã thu hút nhiều sự chú ý trong giới học thuật, vì có thể được lựa chọn một cách độc đáo như một nguồn nguyên liệu tái tạo tiềm năng cho sản phẩm biodiesel được chuyển đổi thông qua công nghệ nhà máy tế bào nấm men. Nghiên cứu hiện tại chỉ ra rằng tỷ lệ tích lũy lipid cao nhất có thể đạt đến 47,25% bởi một chủng nấm men có dầu, Meyerozyma caribbica SSA1654, được phân lập từ hệ vi khuẩn của mối ăn gỗ, nơi khả năng chuyển đổi dầu tổng hợp của nó có thể đạt tới 0,08 (g/l/h) và thành phần axit béo trong tế bào nấm men đại diện cho hơn 95% tổng số axit béo tương tự như của dầu thực vật. Rõ ràng, việc sử dụng nấm men có dầu, được phân lập từ mối ăn gỗ, để tổng hợp lipid từ các chất thơm là một con đường sạch, hiệu quả và cạnh tranh nhằm đạt được "phát triển bền vững" hướng tới sản xuất biodiesel. Tuy nhiên, sự thiếu hụt các loại nấm men có dầu mạnh mẽ để chuyển đổi lipid từ nhiều loại chất thơm và cơ chế điều chỉnh chuyển hóa chưa được hiểu trong các tế bào nấm men tự nhiên là thách thức cơ bản mà chúng ta phải đối mặt trong việc phát triển nhà máy tế bào tiềm năng. Trong khuôn khổ này, bài tổng quan đã đề xuất một khái niệm và chiến lược tiếp cận mới về việc sử dụng nấm men có dầu như một nhà máy tế bào để chuyển đổi chất thải thơm thành lipid làm chất nền cho quá trình chuyển hóa biodiesel. Do đó, việc sàng lọc các chủng nấm men có dầu mạnh mẽ từ hệ vi khuẩn của mối ăn gỗ với một tập hợp các đặc tính chịu đựng mong muốn là điều cần thiết. Ngoài ra, việc tái cấu trúc mạng lưới/đường đi chuyển hóa mong muốn để tối đa hóa tỷ lệ chuyển hóa và tích lũy lipid từ các chất thải thơm bằng cách áp dụng các công nghệ "omics" khác nhau hoặc tiếp cận sinh học tổng hợp, nơi mà chương trình công việc cũng sẽ bao gồm phân tích các đặc điểm genome, phát triển một công nghệ chỉnh sửa gene đột biến cơ sở mới, cũng như làm rõ ảnh hưởng của vị trí chèn các hợp chất thơm và các con đường sinh tổng hợp khác trong genome khung công nghiệp đối với mức độ biểu hiện và ổn định genome. Với các thiết kế độc đáo này cùng với một tập hợp các phương pháp công nghệ sinh học tiên tiến, một con đường chuyển hóa mới sử dụng nấm men có dầu mạnh mẽ phát triển như một khái niệm nhà máy tế bào có thể sẽ được xây dựng, tích hợp và tối ưu hóa, cho thấy giả thuyết mà chúng tôi đề xuất trong việc sử dụng chất thải thơm làm nguyên liệu cho sản phẩm biodiesel có tiềm năng kỹ thuật hứa hẹn và khả năng áp dụng trong tương lai gần.
#biodiesel #nấm men có dầu #chất thải thơm #công nghệ sinh học #phát triển bền vững
Biosynthesis pathways of expanding carbon chains for producing advanced biofuelsBiotechnology for Biofuels and Bioproducts -
Haifeng Su, Jiafu Lin
AbstractBecause the thermodynamic property is closer to gasoline, advanced biofuels (C ≥ 6) are appealing for replacing non-renewable fossil fuels using biosynthesis method that has presented a promising approach. Synthesizing advanced biofuels (C ≥ 6), in general, requires the expansion of carbon chains from three carbon atoms to more than six carbon atoms. Despite some specific biosynthesis pathways that have been developed in recent years, adequate summary is still lacking on how to obtain an effective metabolic pathway. Review of biosynthesis pathways for expanding carbon chains will be conducive to selecting, optimizing and discovering novel synthetic route to obtain new advanced biofuels. Herein, we first highlighted challenges on expanding carbon chains, followed by presentation of two biosynthesis strategies and review of three different types of biosynthesis pathways of carbon chain expansion for synthesizing advanced biofuels. Finally, we provided an outlook for the introduction of gene-editing technology in the development of new biosynthesis pathways of carbon chain expansion.
Enhanced accumulation of oil through co-expression of fatty acid and ABC transporters in Chlamydomonas under standard growth conditionsBiotechnology for Biofuels and Bioproducts - Tập 15 - Trang 1-15 - 2022
Ru Chen, Miao Yang, Mengjie Li, Hao Zhang, Han Lu, Xiaotan Dou, Shiqi Feng, Song Xue, Chenba Zhu, Zhanyou Chi, Fantao Kong
Chloroplast and endoplasmic reticulum (ER)-localized fatty acid (FA) transporters have been reported to play important roles in oil (mainly triacylglycerols, TAG) biosynthesis. However, whether these FA transporters synergistically contribute to lipid accumulation, and their effect on lipid metabolism in microalgae are unknown. Here, we co-overexpressed two chloroplast-localized FA exporters (FAX1 and FAX2) and one ER-localized FA transporter (ABCA2) in Chlamydomonas. Under standard growth conditions, FAX1/FAX2/ABCA2 over-expression lines (OE) accumulated up to twofold more TAG than the parental strain UVM4, and the total amounts of major polyunsaturated FAs (PUFA) in TAG increased by 4.7-fold. In parallel, the total FA contents and major membrane lipids in FAX1/FAX2/ABCA2-OE also significantly increased compared with those in the control lines. Additionally, the total accumulation contribution ratio of PUFA, to total FA and TAG synthesis in FAX1/FAX2/ABCA2-OE, was 54% and 40% higher than that in UVM4, respectively. Consistently, the expression levels of genes directly involved in TAG synthesis, such as type-II diacylglycerol acyltransferases (DGTT1, DGTT3 and DGTT5), and phospholipid:diacylglycerol acyltransferase 1 (PDAT1), significantly increased, and the expression of PGD1 (MGDG-specific lipase) was upregulated in FAX1/FAX2/ABCA2-OE compared to UVM4. These results indicate that the increased expression of FAX1/FAX2/ABCA2 has an additive effect on enhancing TAG, total FA and membrane lipid accumulation and accelerates the PUFA remobilization from membrane lipids to TAG by fine-tuning the key genes involved in lipid metabolism under standard growth conditions. Overall, FAX1/FAX2/ABCA2-OE shows better traits for lipid accumulation than the parental line and previously reported individual FA transporter-OE. Our study provides a potential useful strategy to increase the production of FA-derived energy-rich and value-added compounds in microalgae.
Steering the product spectrum in high-pressure anaerobic processes: CO2 partial pressure as a novel tool in biorefinery conceptsBiotechnology for Biofuels and Bioproducts - Tập 16 - Trang 1-20 - 2023
Pamela Ceron-Chafla, Jo de Vrieze, Korneel Rabaey, Jules B. van Lier, Ralph E. F. Lindeboom
Elevated CO2 partial pressure (pCO2) has been proposed as a potential steering parameter for selective carboxylate production in mixed culture fermentation. It is anticipated that intermediate product spectrum and production rates, as well as changes in the microbial community, are (in)directly influenced by elevated pCO2. However, it remains unclear how pCO2 interacts with other operational conditions, namely substrate specificity, substrate-to-biomass (S/X) ratio and the presence of an additional electron donor, and what effect pCO2 has on the exact composition of fermentation products. Here, we investigated possible steering effects of elevated pCO2 combined with (1) mixed substrate (glycerol/glucose) provision; (2) subsequent increments in substrate concentration to increase the S/X ratio; and (3) formate as an additional electron donor. Metabolite predominance, e.g., propionate vs. butyrate/acetate, and cell density, depended on interaction effects between pCO2–S/X ratio and pCO2–formate. Individual substrate consumption rates were negatively impacted by the interaction effect between pCO2–S/X ratio and were not re-established after lowering the S/X ratio and adding formate. The product spectrum was influenced by the microbial community composition, which in turn, was modified by substrate type and the interaction effect between pCO2–formate. High propionate and butyrate levels strongly correlated with Negativicutes and Clostridia predominance, respectively. After subsequent pressurized fermentation phases, the interaction effect between pCO2–formate enabled a shift from propionate towards succinate production when mixed substrate was provided. Overall, interaction effects between elevated pCO2, substrate specificity, high S/X ratio and availability of reducing equivalents from formate, rather than an isolated pCO2 effect, modified the proportionality of propionate, butyrate and acetate in pressurized mixed substrate fermentations at the expense of reduced consumption rates and increased lag-phases. The interaction effect between elevated pCO2 and formate was beneficial for succinate production and biomass growth with a glycerol/glucose mixture as the substrate. The positive effect may be attributed to the availability of extra reducing equivalents, likely enhanced carbon fixating activity and hindered propionate conversion due to increased concentration of undissociated carboxylic acids.
Inhibition of monogalactosyldiacylglycerol synthesis by down-regulation of MGD1 leads to membrane lipid remodeling and enhanced triacylglycerol biosynthesis in Chlamydomonas reinhardtiiBiotechnology for Biofuels and Bioproducts - Tập 15 - Trang 1-13 - 2022
Jun-Woo Lee, Min-Woo Lee, Chun-Zhi Jin, Hee-Mock Oh, EonSeon Jin, Hyung-Gwan Lee
Membrane lipid remodeling involves regulating the physiochemical modification of cellular membranes against abiotic stress or senescence, and it could be a trigger to increase neutral lipid content. In algae and higher plants, monogalactosyldiacylglycerol (MGDG) constitutes the highest proportion of total membrane lipids and is highly reduced as part of the membrane lipid remodeling response under several abiotic stresses. However, genetic regulation of MGDG synthesis and its influence on lipid synthesis has not been studied in microalgae. For development of an industrial microalgae strain showing high accumulation of triacylglycerol (TAG) by promoting membrane lipid remodeling, MGDG synthase 1 (MGD1) down-regulated mutant of Chlamydomonas reinhardtii (Cr-mgd1) was generated and evaluated for its suitability for biodiesel feedstock. The Cr-mgd1 showed a 65% decrease in CrMGD1 gene expression level, 22% reduction in MGDG content, and 1.39 and 5.40 times increase in diacylglyceryltrimethylhomoserines (DGTS) and TAG, respectively. The expression levels of most genes related to the decomposition of MGDG (plastid galactoglycerolipid degradation1) and TAG metabolism (diacylglycerol O-acyltransferase1, phospholipid:diacylglycerol acyltransferase, and major lipid droplet protein) were increased. The imbalance of DGDG/MGDG ratio in Cr-mgd1 caused reduced photosynthetic electron transport, resulting in less light energy utilization and increased reactive oxygen species levels. In addition, endoplasmic reticulum stress was induced by increased DGTS levels. Thus, accelerated TAG accumulation in Cr-mgd1 was stimulated by increased cellular stress as well as lipid remodeling. Under high light (HL) intensity (400 µmol photons/m2/s), TAG productivity in Cr-mgd1–HL (1.99 mg/L/d) was 2.71 times higher than that in wild type (WT–HL). Moreover, under both nitrogen starvation and high light intensity, the lipid (124.55 mg/L/d), TAG (20.03 mg/L/d), and maximum neutral lipid (56.13 mg/L/d) productivity were the highest. By inducing lipid remodeling through the mgd1 gene expression regulation, the mutant not only showed high neutral lipid content but also reached the maximum neutral lipid productivity through cultivation under high light and nitrogen starvation conditions, thereby possessing improved biomass properties that are the most suitable for high quality biodiesel production. Thus, this mutant may help understand the role of MGD1 in lipid synthesis in Chlamydomonas and may be used to produce high amounts of TAG.
In situ adsorption of itaconic acid from fermentations of Ustilago cynodontis improves bioprocess efficiencyBiotechnology for Biofuels and Bioproducts - Tập 16 - Trang 1-18 - 2023
Johannes Pastoors, Alexander Deitert, Carina Michel, Karsten Günster, Maurice Finger, Jordy Hofstede, Jeff Deischter, Andreas Biselli, Jörn Viell, Regina Palkovits, Andreas Jupke, Jochen Büchs
Reducing the costs of biorefinery processes is a crucial step in replacing petrochemical products by sustainable, biotechnological alternatives. Substrate costs and downstream processing present large potential for improvement of cost efficiency. The implementation of in situ adsorption as an energy-efficient product recovery method can reduce costs in both areas. While selective product separation is possible at ambient conditions, yield-limiting effects, as for example product inhibition, can be reduced in an integrated process. An in situ adsorption process was integrated into the production of itaconic acid with Ustilago cynodontis IAmax, as an example of a promising biorefinery process. A suitable feed strategy was developed to enable efficient production and selective recovery of itaconic acid by maintaining optimal glucose concentrations. Online monitoring via Raman spectroscopy was implemented to enable a first process control and understand the interactions of metabolites with the adsorbent. In the final, integrated bioprocess, yield, titre, and space–time yield of the fermentation process were increased to values of 0.41 gIA/gGlucose, 126.5 gIA/L and 0.52 gIA/L/h. This corresponds to an increase of up to 30% in comparison to the first extended batch experiment without in situ product removal. Itaconic acid was recovered with a purity of at least 95% and high concentrations above 300 g/L in the eluate. Integration of product separation via adsorption into the bioprocess was successfully conducted and improved the efficiency of itaconic acid production. Raman spectroscopy was proven to be a reliable tool for online monitoring of various metabolites and facilitated design and validation of the complex separation and feed process. The general process concept can be transferred to the production of various similar bioproducts, expanding the tool kit for design of innovative biorefinery processes.
