Production de produits chimiques par<em> Klebsiella pneumoniae</em> Utilisation de l'hydrolysat de bambou comme matière première
Summary
La poudre de bambou a été prétraitée avec NaOH et hydrolysée enzymatiquement. L'hydrolysat de bambou a été utilisé comme matière première pour l'acide 2,3-butanediol, l'acide R- acétole, l'acide 2-cétogluconique et l'acide xylonique par Klebsiella pneumoniae .
Abstract
Le bambou est une biomasse importante et l'hydrolysat de bambou est utilisé par Klebsiella pneumoniae comme matière première pour la production chimique. Ici, la poudre de bambou a été prétraitée avec du NaOH et lavée à un pH neutre. La cellulase a été ajoutée à la poudre de bambou prétraitée pour générer l'hydrolysat, qui contenait 30 g / L de glucose et 15 g / L de xylose et a été utilisé comme source de carbone pour préparer un milieu pour la production chimique. Lorsqu'il a été cultivé dans des conditions de microaérobie, 12,7 g / L de 2,3-butanediol a été produit par le type sauvage K. pneumoniae . Dans les conditions aérobies, 13,0 g / L de R- acetine a été produite par le mutant BudC de K. pneumoniae . Un mélange de 25,5 g / L d'acide 2-cétogluconique et 13,6 g / L d'acide xylonique a été produit par le mutant BudA de K. pneumoniae dans une fermentation à deux étapes et contrôlée par le pH avec une supplémentation en air élevée. Dans la première étape de fermentation, la culture a été maintenue à un pH neutre; Après la croissance cellulaire, la fermentatioN a procédé à la deuxième étape, au cours de laquelle la culture a été autorisée à devenir acide.
Introduction
Klebsiella pneumoniae est une bactérie qui pousse bien dans des conditions aérobies et anaérobies. K. pneumoniae est un important microorganisme industriel utilisé pour produire de nombreux produits chimiques. Le 1,3-propanediol est un produit chimique précieux qui est principalement utilisé comme monomère pour synthétiser le téréphtalate de polytriméthylène. Le téréphtalate de polytriméthylène est un polyester biodégradable qui présente de meilleures propriétés que celles du 1,2-propanediol, du butanediol ou de l'éthylène glycol 1 . Le 1,3-propanediol est produit par K. pneumoniae en utilisant du glycérol comme substrat dans des conditions à limitation d'oxygène 2 . Le 2,3-butanediol et ses dérivés ont des applications dans le domaine des plastiques, de la production de solvants et du caoutchouc synthétique et peuvent être utilisés comme biocarburant 3 . Avec le glucose comme substrat, le 2,3-butanediol est le principal métabolite de la souche 4 de type sauvage. Le 2,3-butanediol est synthesiséÀ partir du pyruvate. Tout d'abord, deux molécules de pyruvate se condensent pour donner de l'α-acétonactate; Cette réaction est catalysée par l'α-acétolactate synthase. L'α-acétonactate est ensuite converti en acétoïne par l'α-acétonactate décarboxylase. La R- acétone peut encore être réduite en 2,3-butanediol lorsqu'il est catalysé par la butanediol déshydrogénase. Une méthode efficace de remplacement des gènes appropriée pour K. pneumoniae a été explorée et de nombreux mutants ont été construits 5 , 6 , 7 . Un mutant BudC , qui a perdu son activité 2,3-butanediol déshydrogénase, accumule des niveaux élevés d'acétomin dans un bouillon de culture. L'acétone est utilisée comme additif pour améliorer la saveur des aliments 8 . Lorsque BudA , qui code pour l'α-acétonactate décarboxylase, est muté, l'acide 2-cétogluconique s'accumule dans le bouillon. L'acide 2-cétogluconique est utilisé pour la synthèse de l'acide érythorbique (acide isoascorbique), Un antioxydant utilisé dans l'industrie alimentaire 9 . L'acide 2-cétogluconique est un intermédiaire de la voie d'oxydation du glucose; Dans cette voie, située dans l'espace périplasmique, le glucose est oxydé à l'acide gluconique et ensuite oxydé à l'acide 2-cétogluconique. L'acide glucique et l'acide 2-kétogluconique produits dans le périplasme peuvent être transportés vers le cytoplasme pour un métabolisme supplémentaire. L'accumulation d'acide 2-kétogluconique dépend de conditions acides et une supplémentation en air plus élevée favorise la production d'acide 2-kétogluconique 10 . Gluconate déshydrogénase, codée par gad , Catalyse la conversion de l'acide gluconique en acide 2-cétolguconique. Le mutant gad de K. pneumoniae a produit des niveaux élevés d'acide gluconique à la place de l'acide 2-cétogluconique, et ce processus dépend également des conditions acides. L'acide glucique est un acide organique en vrac et est utilisé comme additif pour augmenter les propriétés du ciment 11. L'oxydation du glucose dans l'acide gluconique est catalysée par la glucose déshydrogénase. Le xylose est également un substrat approprié de glucose déshydrogénase. Lorsque le xylose est utilisé comme substrat, K. pneumoniae produit de l'acide xylonique 12 .
La production chimique utilisant de la biomasse comme matière première est un sujet brûlant dans la biotechnologie 13 . Les principaux composants de la biomasse sont la cellulose, l'hémicellulose et la lignine. Cependant, ces composés macromoléculaires ne peuvent pas être catabolisés directement par la plupart des microorganismes (y compris K. pneumoniae ). La cellulose et les hémicelluloses dans la biomasse doivent être hydrolysées au glucose et au xylose et peuvent ensuite être utilisées par des microorganismes. La présence de lignine dans les lignocelluloses crée une barrière protectrice qui empêche l'hydrolyse de la biomasse par des enzymes. Ainsi, un processus de prétraitement qui élimine la lignine et les hémicelluloses et réduit la cristallinité de la cellulose est toujours effectué lors de l'utilisation de la biomasse par le microLes roorganismes. De nombreuses méthodes de prétraitement ont été développées: les prétraites acides, alcalines, à l'ammoniac et à la vapeur sont courantes.
Le bambou est abondant dans les régions tropicales et subtropicales et constitue une ressource biomasse importante. Ici, la préparation de l'hydrolysat de bambou et la production chimique à l'aide d'hydrolysat de bambou sont présentés
Protocol
Representative Results
Discussion
K. pneumoniae appartient au genre Klebsiella dans la famille des Enterobacteriaceae . K. pneumoniae est largement distribué dans des milieux naturels comme le sol, la végétation et l'eau 14 . La souche sauvage de K. pneumoniae utilisée dans cette recherche a été isolée du sol et utilisée pour la production de 1,3-propanediol 15 . K. pneumoniae et les mutants de cette espèce produisent de nombreux produits c…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la National Natural Science Foundation of China (Grant No. 21576279, 20906076) et le KRIBB Research Initiative Program (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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