丙丁梭菌高强度同步转化葡萄糖/木糖生产丁醇的代谢调控与机制研究

Clostridium acetobutylicum as a hyper butanol producer could not simultaneously utilize glucose and xylose due to glucose-mediated carbon catabolite repression and complex xylose metabolism. Comparative genomic information reveals that xylose ABC transport might be a key factor involved in glucose/xylose co-utilization by C. acetobutylicum. In this project, pleiotropic regulatory effects at global levels will be made via genetic and metabolic engineering C. acetobutylicum by heterologous expressions of xylose ABC transport system derived from C. beijerinckii and xylonate biosynthetic pathway derived from Caulobacter crescentus for efficient glucose/xylose co-utilizing capacity and cofactor compensation, as well as homologous overexpression of glucose PTS system for ATP-dependent coordinated regulation on xylose transport mechanism. Pleiotropic roles at global levels will be elaborated via intracellular metabolites and transcriptional analysis for elucidating regulatory mechanisms of C. acetobutylicum involved in stress tolerance, biological detoxification and butanol metabolism. For the sake of better glucose/xylose co-utilization by C. acetobutylicum, efficient strategy for lignocellulosic hydrolysate will be established integrated with bioprocess engineering approaches with favorable butanol productivity. Finally, the achievements not only contribute to the lignocellulose-derived biorefinery, but also provide new idea for regulating other industrial microbes.

丙丁梭菌作为丁醇高产发酵菌株，因“碳代谢物阻遏效应”调控与自身木糖转化机制的复杂性，无法同步且高效利用葡萄糖/木糖混合碳源。基因组信息揭示木糖ABC转运系统可能是丙丁梭菌同步转运葡萄糖/木糖能力缺失的关键因素。本项目在细胞全局水平进行多效调控，拟通过异源表达拜氏梭菌木糖ABC转运系统，赋予丙丁梭菌高效同步转运葡萄糖/木糖混合碳源能力；通过强化表达丙丁梭菌葡萄糖PTS系统，在能量水平功能性协同调控木糖转运；通过异源表达新月柄杆菌木糖酸合成途径优化木糖转化效率并引入辅因子补偿。结合代谢组学以及转录组学分析，系统阐释细胞胁迫耐性、生物脱毒以及溶剂代谢的强化机制，结合过程工程调控技术，解决丙丁梭菌发酵木质纤维素水解液生产丁醇效率偏低的实际问题，最终建立适用于木质纤维素类生物质资源的高强度葡萄糖/木糖混合碳源发酵策略，为工业微生物的生理代谢调控提供了新思路。

微生物转化木质纤维素生产生物质能源，具有“循环再生、高效利用、清洁生产”等优势，能够解决我国资源和能源瓶颈制约，保障循环经济可持续发展。丁醇作为新型生物质能源，具有能量密度高、吸水性和腐蚀性低、与现有成品油输送和贮藏设施兼容性好等特点。然而，丁醇发酵菌株受“碳代谢物阻遏效应”影响，无法同步利用葡萄糖/木糖混合碳源，且转运转化木糖效率低，抑制物胁迫耐性差，导致丁醇产物浓度与生产强度偏低。本项目通过合成生物学基因编辑、代谢工程优化及过程工程调控，基于木糖ABC转运系统、葡萄糖PTS系统以及木糖酸合成途径，打破丙丁梭菌“碳代谢物阻遏效应”限制，创新性地赋予重组菌株高效同步代谢五、六碳糖的能力，在细胞“物质-能量-还原”、基因互作、转录调控等多维水平进行全局多效调控，实现了胁迫耐性、生物脱毒以及溶剂代谢的级联强化。无需理化脱毒操作，重组菌株可高效利用木质纤维素水解液，混合碳源利用率由40%-60%提升至100%，发酵周期大幅缩短至1/3，丁醇生产强度提高6倍以上。在项目执行期内共计发表SCI研究论文5篇，申请中国发明专利3项，授权专利1项，培养硕士研究生1名，荣获辽宁省优秀毕业生称号。相关研究成果获第48届日内瓦国际发明展金奖（排名3/6），2021年度中国可再生能源学会科学技术一等奖（排名7/9），收录于中国可再生能源学会“科创中国”新能源技术应用案例库（排名6/7）。作为第二完成人，以专利实施许可方式完成成果技术转移项目2项。在本项目研究工作基础上，获批中国博士后基金面上项目1项，国家重点实验室开放课题1项，参与重点研发计划项目课题1项，国家自然科学基金项目1项。本项目开发了适用于木质纤维素生物质的高强度混合碳源发酵策略，建立了生物质能源低成本制造技术，解决了木质纤维素生物质碳转化利用差、丁醇生产效率低的实际问题，对于助推“碳达峰、碳中和”目标的实现具有重要的科学意义。

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