Producción de productos químicos por<em> Klebsiella pneumoniae</em> Usando hidrolizado de bambú como materia prima
Summary
El polvo de bambú se pretrató con NaOH y se hidrolizó enzimáticamente. El hidrolizado de bambú se utilizó como materia prima para la producción de ácido 2,3-butanodiol, R -acetona, ácido 2-cetoglucónico y ácido xilónico por Klebsiella pneumoniae .
Abstract
El bambú es una biomasa importante, y el hidrolizado de bambú es utilizado por Klebsiella pneumoniae como materia prima para la producción química. En este caso, el polvo de bambú se pretrató con NaOH y se lavó hasta un pH neutro. Se añadió celulasa al polvo de bambú pretratado para generar el hidrolizado, que contenía 30 g / l de glucosa y 15 g / l de xilosa y se usó como fuente de carbono para preparar un medio para la producción química. Cuando se cultivaron en condiciones microaeróbicas, se produjo 12,7 g / l de 2,3-butanodiol por K. pneumoniae de tipo salvaje. En condiciones aerobias, 13,0 g / L de acetona R fue producida por el mutante budC de K. pneumoniae . Una mezcla de 25,5 g / L de ácido 2-cetoglucónico y 13,6 g / l de ácido xilónico fue producida por el mutante budA de K. pneumoniae en una fermentación controlada por pH de dos etapas con alta suplementación de aire. En la primera etapa de fermentación, el cultivo se mantuvo a un pH neutro; Después del crecimiento celular, la fermentaciónN pasó a la segunda etapa, durante la cual se dejó que el cultivo se volviera ácido.
Introduction
Klebsiella pneumoniae es una bacteria que crece bien bajo condiciones aerobias y anaerobias. K. pneumoniae es un importante microorganismo industrial utilizado para producir muchos productos químicos. 1,3-propanodiol es un producto químico valioso que se utiliza principalmente como un monómero para sintetizar tereftalato de politrimetileno. El poli (tereftalato de etileno) es un poliéster biodegradable que presenta mejores propiedades que las del 1,2-propanodiol, butanodiol o etilenglicol 1 . 1,3-propanodiol se produce por K. pneumoniae utilizando glicerol como un sustrato en condiciones de oxígeno limitado 2 . 2,3-butanodiol y sus derivados tienen aplicaciones en el campo de los plásticos, la producción de disolventes y el caucho sintético y tienen potencial para ser utilizados como biocombustibles 3 . Con la glucosa como sustrato, el 2,3-butanodiol es el metabolito principal de la cepa 4 de tipo salvaje. 2,3-butanodiol es sintetizadorEd de piruvato. En primer lugar, dos moléculas de piruvato se condensan para dar α-acetolactato; Esta reacción es catalizada por α-acetolactato sintasa. El acetonato de α-acetato se convierte entonces en acetoin por α-acetolactato decarboxilasa. La R -acetina puede reducirse adicionalmente a 2,3-butanodiol cuando se cataliza con butanodiol-deshidrogenasa. Se ha explorado un método eficiente de reemplazo genético adecuado para K. pneumoniae , y se han construido muchos mutantes 5 , 6 , 7 . Un mutante budC , que perdió su actividad de 2,3-butanodiol deshidrogenasa, acumula altos niveles de acetoin en caldo de cultivo. La acetoína se utiliza como aditivo para mejorar el sabor de los alimentos 8 . Cuando budA , que codifica α-acetolactato descarboxilasa, está mutado, el ácido 2-cetoglucónico se acumula en el caldo. El ácido 2-cetoglucónico se utiliza para la síntesis de ácido eritórbico (ácido isoascórbico), Un antioxidante utilizado en la industria alimentaria 9 . El ácido 2-cetoglucónico es un intermedio de la vía de oxidación de la glucosa; En esta vía, situada en el espacio periplásmico, la glucosa se oxida a ácido glucónico y luego se oxida a ácido 2-cetoglucónico. El ácido glucónico y el ácido 2-cetoglucónico producido en el periplasma pueden ser transportados al citoplasma para un metabolismo adicional. La acumulación de ácido 2-cetoglucónico depende de condiciones ácidas, y una mayor suplementación de aire favorece la producción de ácido 2-cetoglucónico 10 . Gluconato deshidrogenasa, codificada por gad , Cataliza la conversión del ácido glucónico en ácido 2-cetolucucónico. El mutante gad de K. pneumoniae produjo altos niveles de ácido glucónico en lugar de ácido 2-cetoglucónico, y este proceso también depende de condiciones ácidas. El ácido glucónico es un ácido orgánico a granel y se utiliza como aditivo para aumentar las propiedades del cemento 11. La oxidación de la glucosa al ácido glucónico es catalizada por la glucosa deshidrogenasa. La xilosa es también un sustrato adecuado de glucosa deshidrogenasa. Cuando se utiliza xilosa como sustrato, K. pneumoniae produce ácido xilónico 12 .
La producción química utilizando la biomasa como materia prima es un tema candente en la biotecnología 13 . Los componentes principales de la biomasa son la celulosa, la hemicelulosa y la lignina. Sin embargo, estos compuestos macromoleculares no pueden ser catabolizados directamente por la mayoría de los microorganismos (incluyendo K. pneumoniae ). La celulosa y hemicelulosas en la biomasa deben ser hidrolizadas a glucosa y xilosa y luego pueden ser utilizadas por microorganismos. La presencia de lignina en lignocelulosas crea una barrera protectora que previene la hidrolización de la biomasa por enzimas. Por lo tanto, un proceso de pretratamiento que elimina la lignina y las hemicelulosas y reduce la cristalinidad de la celulosa se realiza siempre durante la utilización de la biomasa por micrófonoRoorganismos. Se han desarrollado muchos métodos de pretratamiento: son comunes los pretratamientos con ácido, alcalino, amoníaco y vapor.
El bambú es abundante en las regiones tropicales y subtropicales y es un importante recurso de biomasa. Aquí, se presenta la preparación de hidrolizado de bambú y la producción química utilizando hidrolizado de bambú
Protocol
Representative Results
Discussion
K. pneumoniae pertenece al género Klebsiella en la familia Enterobacteriaceae . K. pneumoniae se distribuye ampliamente en entornos naturales como el suelo, la vegetación y el agua 14 . La cepa de K. pneumoniae de tipo salvaje utilizada en esta investigación se aisló del suelo y se utiliza para la producción de 1,3-propanodiol 15 . K. pneumoniae y mutantes de esta especie producen muchos productos químicos bajo di…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Grant No. 21576279, 20906076) y el Programa de Iniciativa de Investigación 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 |
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