《丙酮丁醇梭菌纖維介質固定化提高丁醇耐性的分子機制》是依託大連理工大學,由薛闖擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：丙酮丁醇梭菌纖維介質固定化提高丁醇耐性的分子機制
- 依託單位：大連理工大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：薛闖
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
丙酮丁醇梭菌的丁醇耐性差是發酵終點產物濃度極低，導致產品分離能耗高的主要原因。前期研究發現，纖維介質固定化顯著提高梭菌細胞的丁醇耐性、比糖吸收速率和比丁醇生成速率，並且使相關蛋白差異表達，但其機理尚不明確。我們推測，纖維介質固定化不僅使細胞密度顯著提高，而且其特殊的微環境有利於信號物質(如寡肽、酯類衍生物)累積、傳導和感知，誘導細胞產生群體效應，進而提高細胞的丁醇耐性，強化丁醇發酵過程。為證明這一假說，本項目將從基因表達和代謝分析入手，研究相關基因（熱休克基因、agr群體效應基因、膜合成基因和鞭毛基因等）的表達差異，考察群體效應產生和丁醇耐性增強的變化規律，及其與基因表達的內在聯繫，分析鑑定信號物質，解析細胞脅迫耐性增強的分子機制，並通過過程工程手段進行調控，提高菌體的脅迫耐性和丁醇發酵水平。預期結果不僅可以豐富微生物群體行為的認知，而且為丁醇發酵過程調控和菌株改造提供新思路。
結題摘要
丁醇被認為是比乙醇更有價值的先進生物燃料，能量密度比乙醇高30%，與現有成品油輸送和貯藏設施兼容性好等優點。利用發酵法生產丁醇面臨的主要問題是丁醇對丙丁梭菌細胞有毒性抑制作用，導致發酵終點丁醇濃度和生產強度低，產品分離能耗高。纖維固定化細胞培養可以使丙丁梭菌細胞緊密接觸，提高細胞在反應器中的密度。我們發現纖維固定化體系中的梭菌細胞的存活率更強，說明纖維介質固定化可以增強梭菌細胞的丁醇耐性。和游離細胞體系相比，纖維固定化體系的梭菌細胞，在發酵的對數期和靜止期，比糖吸收速率分別提高了14.6 %和60.4 %，比丁醇生成速率分別提高了，說明單位細胞的生產活力更強。固定化體系的發酵時間縮短了26.4 %，發酵終點的丁醇濃度提高35.0 %，說明梭菌的整體發酵性能顯著提高。細胞密度的增加是信號物質積累、傳導、感知和細胞產生群體效應的重要基礎。因此，通過基因背景分析，發現丙丁梭菌中可能存在有硫代內酯作為信號分子的agrBDCA群體效應系統。利用內含子失活技術和基因回補實驗構建了agrB（cac0078）， agrC（cac0080），agrA（cac0081）基因工程菌，通過由agrD編碼的硫代內酯環肽添加實驗確認了丙丁梭菌中存在agr群體效應系統，並初步證實該系統對梭菌孢子形成，脅迫耐性，細胞生長和產溶劑以及相關基因表達有密切影響，還需在高密度培養體系深度挖掘該群體效應系統的功能。建立了線上丁醇移除與解除細胞抑制的發酵分離耦合技術，利用發酵自產的尾氣（二氧化碳和氫氣）與丁醇分子間的吸附作用，實現線上移除發酵抑制性產物丁醇和反應器內丁醇濃度的自由調控，使反應器內的細胞密度增加或延緩發酵後期細胞自溶，強化細胞群體效應產生，使丁醇的生產強度提高了40%以上，分離得到的丁醇濃度比文獻報導提高3-6倍。以上研究成果共發表SCI論文12篇（第一作者9篇，ESI高被引1篇，JCR一區6篇），授權中國發明專利7項（第一發明人），PCT國際申請1項，這些研究成果為提高高密度發酵的丁醇轉化效率和優良菌株構建提供了理論基礎和技術支撐。
