Productie van Chemicaliën door<em> Klebsiella pneumoniae</em> Bamboohydrolysaat gebruiken als voedingsstof
Summary
Bamboe poeder werd voorbehandeld met NaOH en enzymatisch gehydrolyseerd. Het hydrolysaat van bamboe werd gebruikt als voedingsstof voor 2,3-butaandiol, R- acetoïne, 2-ketogluconzuur en xylonzuurproductie door Klebsiella pneumoniae .
Abstract
Bamboe is een belangrijke biomassa, en bamboehydrolysaat wordt gebruikt door Klebsiella pneumoniae als grondstof voor chemische productie. Hier werd het bamboe poeder voorbehandeld met NaOH en gewassen tot een neutrale pH. Cellulase werd toegevoegd aan het voorbehandelde bamboepoeder om het hydrolysaat, dat 30 g / L glucose en 15 g / L xylose bevatte, te vormen en werd gebruikt als de koolstofbron om een medium voor chemische productie te bereiden. Bij cultuur in microaerobe omstandigheden werd 12,7 g / L 2,3-butaandiol geproduceerd door wildtype K. pneumoniae . Bij aërobe condities werd 13,0 g / L R- acetoïne geproduceerd door de budC mutant van K. pneumoniae . Een mengsel van 25,5 g / L2-ketogluconzuur en 13,6 g / L xylonzuur werd geproduceerd door de budA- mutant van K. pneumoniae in een tweetraps, pH-gestuurde fermentatie met hoge luchtaanvulling. In de eerste gistingstadium werd de cultuur gehandhaafd bij een neutrale pH; Na celgroei, de fermentatieN ging verder naar de tweede fase, waartussen de cultuur zuur werd.
Introduction
Klebsiella pneumoniae is een bacterie die goed groeit onder zowel aërobe en anaërobe omstandigheden. K. pneumoniae is een belangrijk industriële micro-organisme die veel chemicaliën produceert. 1,3-propandiol is een waardevolle chemische stof die voornamelijk gebruikt wordt als monomeer om polytrimethylentereftalaat te synthetiseren. Polytrimethylentereftalaat is een biologisch afbreekbare polyester die betere eigenschappen vertoont dan die van 1,2-propandiol, butaandiol of ethyleenglycol 1 . 1,3-propandiol wordt geproduceerd door K. pneumoniae onder gebruikmaking van glycerol als een substraat in zuurstofbeperkte condities 2 . 2,3-butaandiol en zijn derivaten hebben toepassingen op het gebied van kunststoffen, oplosmiddelproductie en synthetische rubber en hebben het potentieel om als biobrandstof 3 te gebruiken . Met glucose als substraat is 2,3-butaandiol de belangrijkste metaboliet van de wildtype stam 4 . 2,3-butaandiol is synthesizAfkomstig uit pyruvaat. Ten eerste kondenseren twee moleculen pyruvaat om a-acetolactaat op te leveren; Deze reactie wordt gekatalyseerd door a-acetolactaatsynthase. A-acetolactaat wordt dan omgezet in acetoïne door a-acetolactaat decarboxylase. R -acetoïne kan verder worden gereduceerd tot 2,3-butaandiol wanneer gekatalyseerd door butaandioldehydrogenase. Een efficiënte genvervangingsmethode die geschikt is voor K. pneumoniae is onderzocht en veel mutanten zijn geconstrueerd 5 , 6 , 7 . Een budC mutant, die zijn 2,3-butaandiol dehydrogenase activiteit verloor, accumuleert hoge niveaus van acetoïne in cultuurbouillon. Acetoïne wordt gebruikt als additief ter verbetering van de smaak van voedsel 8 . Wanneer budA , die codeert voor a-acetolactaatdecarboxylase, gemuteerd wordt, komt 2-ketogluconzuur op in de bouillon. 2-ketogluconzuur wordt gebruikt voor de synthese van erythorbinezuur (isoascorbinezuur), Een antioxidant gebruikt in de voedingsindustrie 9 . 2-ketogluconzuur is een tussenproduct van de glucose oxidatie pathway; In deze route, gelegen in de periplasmatische ruimte, wordt glucose geoxideerd naar gluconzuur en vervolgens verder geoxideerd naar 2-ketogluconzuur. Gluconzuur en 2-ketogluconzuur geproduceerd in de periplasma kunnen naar de cytoplasma worden vervoerd voor verdere metabolisme. De accumulatie van 2-ketogluconzuur is afhankelijk van zure omstandigheden, en hogere luchttoevoeging bevordert 2-ketogluconzuurproductie 10 . Gluconaat dehydrogenase, gecodeerd door gad , Katalyseert de omzetting van gluconzuur aan 2-ketolguconzuur. De gad mutant van K. pneumoniae produceerde hoge niveaus gluconzuur in plaats van 2-ketogluconzuur, en dit proces is ook afhankelijk van zure omstandigheden. Gluconzuur is een bulk organisch zuur en wordt gebruikt als additief om de eigenschappen van cement 1 te verhogen1. Glucoseoxidatie naar gluconzuur wordt gekatalyseerd door glucose dehydrogenase. Xylose is ook een geschikt substraat van glucose dehydrogenase. Wanneer xylose als substraat wordt gebruikt, produceert K. pneumoniae xylonzuur 12 .
Chemische productie met behulp van biomassa als grondstof is een heet onderwerp in de biotechnologie 13 . De belangrijkste componenten van biomassa zijn cellulose, hemicellulose en lignine. Deze macromoleculaire verbindingen kunnen echter niet direct door de meeste micro-organismen (waaronder K. pneumoniae ) worden gecategoriseerd . Cellulose en hemicellulosen in de biomassa moeten gehydrolyseerd worden naar glucose en xylose en kunnen dan door micro-organismen worden gebruikt. De aanwezigheid van lignine in lignocellulosen creëert een beschermende barrière die biomassa hydrolyzering door enzymen voorkomt. Zo wordt een voorbehandelingsproces dat lignine en hemicellulosen verwijdert en de kristalliniteit van cellulose vermindert, altijd uitgevoerd tijdens het gebruik van biomassa door microorganisms. Er zijn veel voorbehandelingsmethoden ontwikkeld: zuur-, alkaline-, ammoniak- en stoomvoorbehandelingen zijn gebruikelijk.
Bamboe is overvloedig in tropische en subtropische gebieden en is een belangrijke biomassa-bron. Hier worden de bereiding van bamboehydrolysaat en chemische productie met behulp van bamboehydrolysaat gepresenteerd
Protocol
Representative Results
Discussion
K. pneumoniae behoort tot het geslacht Klebsiella in de familie Enterobacteriaceae . K. pneumoniae wordt wijd verspreid in natuurlijke omgevingen zoals bodem, vegetatie en water 14 . De wildtype K. pneumoniae stam gebruikt in dit onderzoek werd geïsoleerd uit de bodem en wordt gebruikt voor 1,3-propandiolproductie 15 . K. pneumoniae en mutanten van deze soort produceren veel chemicaliën onder verschillende omstandighe…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (subsidie 21576279, 20906076) en het KRIBB Research Initiative Programme (KGM2211531).
Materials
| autoclave | SANYO | 3780 | |
| bioreactor | Sartorius stedim biotech | Bostat Aplus | |
| agitator | IKA | RW 20 | |
| water bath shaker | Zhicheng | ZWY-110X50 | |
| high performance liquid chromatograph system | Shimadzu Corp | 20AVP | |
| centrifuge | Hitachi | CR22G III | |
| Bamboo powder | purchased from Zhejiang Province, China | mesh number, 50 | |
| cellulase | Youtell Biochemical, Shandong, China | 200 PFU/ml |
Riferimenti
- Zeng, A. P., Biebl, H. Bulk chemicals from biotechnology: the case of 1, 3-propanediol production and the new trends. Adv Biochem Eng Biotechnol. 74, 239-259 (2002).
- Wei, D., Wang, M., Jiang, B., Shi, J., Hao, J. Role of dihydroxyacetone kinases I and II in the dha regulon of Klebsiella pneumoniae. J Biotechnol. 177, 13-19 (2014).
- Celińska, E., Grajek, W. Biotechnological production of 2,3-butanediol-current state and prospects. Biotechnol Adv. 27 (6), 715-725 (2009).
- Chen, C., Wei, D., Shi, J., Wang, M., Hao, J. Mechanism of 2, 3-butanediol stereoisomer formation in Klebsiella pneumoniae. Appl Microbiol Biotechnol. 98 (10), 4603-4613 (2014).
- Wei, D., Wang, M., Shi, J., Hao, J. Red recombinase assisted gene replacement in Klebsiella pneumoniae. J Ind Microbiol Biotechnol. 39 (8), 1219-1226 (2012).
- Wei, D., Sun, J., Shi, J., Liu, P., Hao, J. New strategy to improve efficiency for gene replacement in Klebsiella pneumoniae. J Ind Microbiol Biotechnol. 40 (5), 523-527 (2013).
- Chen, C., et al. Inhibition of RecBCD in Klebsiella pneumoniae by Gam and its effect on the efficiency of gene replacement. J Basic Microbiol. 56 (2), 120-126 (2016).
- Wang, D., et al. R-acetoin accumulation and dissimilation in Klebsiella pneumoniae. J Ind Microbiol Biotechnol. 42 (8), 1105-1115 (2015).
- Wei, D., Xu, J., Sun, J., Shi, J., Hao, J. 2-Ketogluconic acid production by Klebsiella pneumoniae CGMCC 1.6366. J Ind Microbiol Biotechnol. 40 (6), 561-570 (2013).
- Sun, Y., et al. Two-stage fermentation for 2-ketogluconic acid production by Klebsiella pneumoniae. J Microbiol Biotechnol. 24 (6), 781-787 (2014).
- Wang, D., et al. Gluconic acid production by gad mutant of Klebsiella pneumoniae. World J Microbiol Biotechnol. 32 (8), 1-11 (2016).
- Wang, C., et al. Production of xylonic acid by Klebsiella pneumoniae. Appl Microbiol Biotechnol. 100 (23), 10055-10063 (2016).
- Kumar, P., Barrett, D. M., Delwiche, M. J., Stroeve, P. Methods for pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel production. Ind Eng Chem Res. 48 (8), 3713-3729 (2009).
- Brisse, S., Grimont, F., Grimont, P. A. The genus Klebsiella. The Prokaryotes. , 159-196 (2006).
- Hao, J., Lin, R., Zheng, Z., Liu, H., Liu, D. Isolation and characterization of microorganisms able to produce 1, 3-propanediol under aerobic conditions. World J Microbiol Biotechnol. 24 (9), 1731-1740 (2008).
- Hong, E., et al. Optimization of alkaline pretreatment on corn stover for enhanced production of 1.3-propanediol and 2, 3-butanediol by Klebsiella pneumoniae AJ4. Biomass Bioenerg. 77, 177-185 (2015).
- Pienkos, P. T., Zhang, M. Role of pretreatment and conditioning processes on toxicity of lignocellulosic biomass hydrolysates. Cellulose. 16 (4), 743-762 (2009).
