Produzione di sostanze chimiche da parte di<em> Klebsiella pneumoniae</em> Uso di idrolizzato di bambù come alimentazione
Summary
La polvere di bambù è stata pretrattata con NaOH e idrolizzata enzimaticamente. L'idrolizzato di bambù è stato utilizzato come materia prima per la produzione di 2,3-butanediol, R -acetato, acido 2-ketogluconico e acido xilonico da Klebsiella pneumoniae .
Abstract
Il bambù è una biomassa importante e l'idrolizzato di bambù viene utilizzato da Klebsiella pneumoniae come materia prima per la produzione chimica. Qui, la polvere di bambù è stata pretrattata con NaOH e lavata ad un pH neutro. Cellulasi è stata aggiunta alla polvere di bambù pretrattata per generare l'idrolizzato, che conteneva 30 g / L di glucosio e 15 g / l di xilosi ed è stato utilizzato come fonte di carbonio per preparare un mezzo per la produzione chimica. Durante la coltura in condizioni microaerobiche, 12,7 g / l di 2,3-butandiolo è stato prodotto dalla selvaggina K. pneumoniae . In condizioni aerobiche, 13,0 g / L di R- acetone è stato prodotto dal mutante budC di K. pneumoniae . Una miscela di acido 25,5 g / l di 2-ketogluconico e 13,6 g / l di acido xilonico è stata prodotta dal mutante budA di K. pneumoniae in una fermentazione a due stadi a pH controllata con elevata supplementazione d'aria. Nella prima fase della fermentazione, la coltura è stata mantenuta ad un pH neutro; Dopo la crescita cellulare, la fermentazioneN ha proceduto alla seconda fase, durante la quale la cultura è stata permessa di diventare acida.
Introduction
Klebsiella pneumoniae è un batterio che cresce bene sia in condizioni aerobiche sia anaerobiche. K. pneumoniae è un importante microrganismo industriale utilizzato per produrre molte sostanze chimiche. 1,3-propandiolo è una preziosa sostanza chimica che viene utilizzata principalmente come monomero per sintetizzare polytrimetilene tereftalato. Polytrimetilene tereftalato è un poliestere biodegradabile che presenta proprietà migliori di quelle di 1,2-propandiolo, butanediolo o etilene glicole 1 . 1,3-propandiolo è prodotto da K. pneumoniae utilizzando glicerolo come substrato nelle condizioni limitate all'ossigeno 2 . 2,3-butanediol e suoi derivati hanno applicazioni nel settore della plastica, della produzione di solventi e della gomma sintetica e hanno il potenziale per essere utilizzati come biocarburanti 3 . Con il glucosio come substrato, il 2,3-butanediolo è il principale metabolita del ceppo 4 selvatico. 2,3-butandiolo è sintetizzatoDal piruvato. Innanzitutto, due molecole di piruvato si condensano per produrre α-acetolattato; Questa reazione è catalizzata da α-acetolattato sintetasi. L'α-acetolattato viene quindi convertito in acetone mediante α-acetolattato decarbossilasi. R- acetone può essere ulteriormente ridotto a 2,3-butandiolo quando catalizzato da butanediol deidrogenasi. È stato esplorato un metodo efficace di sostituzione del gene idoneo a K. pneumoniae e sono stati costruiti molti mutanti 5 , 6 , 7 . Un mutante budC , che ha perso la sua attività di 2,3-butanediol deidrogenasi, accumula elevati livelli di acetoina nel brodo di coltura. Acetoina viene utilizzato come additivo per migliorare il sapore del cibo 8 . Quando budA , che codifica α-acetolattato decarbossilasi, viene mutato, l'acido 2-ketogluconico si accumula nel brodo. L'acido 2-ketogluconico viene usato per la sintesi dell'acido eritorbico (acido isoascorbico), Un antiossidante utilizzato nell'industria alimentare 9 . L'acido 2-ketogluconico è un intermedio del percorso di ossidazione del glucosio; In questo percorso, localizzato nello spazio periplasmatico, il glucosio viene ossidato all'acido gluconico e successivamente ossidato all'acido 2-ketogluconico. L'acido gluconico e l'acido 2-ketogluconico prodotto nel periplasma possono essere trasportati al citoplasma per ulteriori metabolismo. L'accumulo di acido 2-ketogluconico dipende da condizioni acide e un'ulteriore integrazione dell'aria favorisce la produzione di acido 2-ketogluconico 10 . La deidrogenasi di gluconato, codificata da gad , Catalizza la conversione dell'acido gluconico nell'acido 2-ketolguconico. Il mutante di K. pneumoniae produsse alti livelli di acido gluconico anziché acido 2-ketogluconico, e questo processo dipende anche da condizioni acide. L'acido gluconico è un acido organico sfuso e viene utilizzato come additivo per aumentare le proprietà del cemento 11. L'ossidazione del glucosio all'acido gluconico è catalizzata dalla glucosio deidrogenasi. Xilosi è anche un substrato appropriato di glucosio deidrogenasi. Quando xilosi viene utilizzato come substrato, K. pneumoniae produce acido xilonico 12 .
La produzione chimica che utilizza biomassa come materia prima è un argomento caldo in biotecnologia 13 . Le principali componenti della biomassa sono la cellulosa, l'emicellulosa e la lignina. Tuttavia, questi composti macromolecolari non possono essere catabolizzati direttamente dalla maggior parte dei microrganismi (inclusi K. pneumoniae ). La cellulosa e le emicellulosi nella biomassa devono essere idrolizzate a glucosio e xilosio e possono quindi essere utilizzate dai microrganismi. La presenza di lignina nelle lignocellulose crea una barriera protettiva che impedisce l'idrolizzazione della biomassa da parte degli enzimi. Pertanto, un processo di pretrattamento che elimina lignina e emicellulosi e riduce la cristallinità della cellulosa viene sempre effettuato durante l'utilizzo della biomassa tramite microorganisms. Sono stati sviluppati molti metodi di pretrattamento: acidi, alcalini, ammoniaca e pretratti di vapore sono comuni.
Il bambù è abbondante nelle regioni tropicali e subtropicali ed è un'importante risorsa di biomassa. Qui viene presentata la preparazione di idrolizzato di bambù e produzione chimica mediante idrolisi di bambù
Protocol
Representative Results
Discussion
K. pneumoniae appartiene al genere Klebsiella nella famiglia Enterobacteriaceae . K. pneumoniae è ampiamente distribuito in ambienti naturali quali il suolo, la vegetazione e l'acqua 14 . Il ceppo tipo K. pneumoniae utilizzato in questa ricerca è stato isolato dal suolo e viene utilizzato per la produzione di 1,3-propandiolo 15 . K. pneumoniae e mutanti di questa specie producono molte sostanze chimiche in condizi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dalla Fondazione Nazionale di Scienze Naturali della Cina (n. 21576279, 20906076) e nel programma di iniziativa di ricerca KRIBB (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 |
References
- 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).
