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NAT COMMUN∣超快生长的需钠弧菌，炼制褐藻生产化学品

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2025-04-11

导读：褐藻是一种具有巨大潜力的替代生物质原料。它在全球范围内分布广泛，生长速度快，碳水化合物含量高（占干重的35%-60%），并且不需要占用耕地或消耗淡水资源。

文献信息：

作者：Hyun Gyu Lim, Dong Hun Kwak, Sungwoo Park, Sunghwa Woo, Jae-Seong Yang, Chae Won Kang, Beomhee Kim, Myung Hyun Noh, Sang Woo Seo, Gyoo Yeol Jung

发表时间：06 June 2019

https://doi.org/10.1038/s41467-019-10371-1

Nature Communications 影响因子：16.6

背景介绍

褐藻是一种具有巨大潜力的替代生物质原料。它在全球范围内分布广泛，生长速度快，碳水化合物含量高（占干重的35%-60%），并且不需要占用耕地或消耗淡水资源。然而，褐藻的主要糖类之一——褐藻酸盐，因其复杂的化学结构，难以被传统微生物平台（如大肠杆菌）代谢。这使得褐藻在生物炼制领域的应用受到严重限制。

为解决这一瓶颈，研究人员分离出了一种快速生长的细菌——Vibrio sp. dhg。这种细菌能够高效地同化褐藻酸盐，并将其转化为多种增值生物化学品。研究团队通过对Vibrio基因组的系统分析，开发了一套遗传工具箱，为其工程改造提供了基础。实验表明，Vibrio可以从褐藻糖混合物中快速生产乙醇、2,3-丁二醇和番茄红素，展现出高生产率和高产量。

总体而言，Vibrio作为一种新型微生物平台，不仅突破了传统微生物在褐藻利用上的局限性，还为褐藻糖的高效转化提供了全新的解决方案。这一研究成果为褐藻在生物炼制领域的广泛应用奠定了基础，也为未来可持续生物经济的发展提供了重要支持。

图文解读

图1| 振荡菌属物种dhg作为褐藻生物炼制的微生物平台

a，振荡菌属物种dhg中海藻酸盐和甘露醇同化途径的示意图。解聚的少聚海藻酸盐被运输到细胞质中并分解为4-脱氧-L-赤型-5-己糖酸内酯（DEHU）。DEHU进一步转化为3-磷酸甘油醛（G-3-P）和丙酮酸（PYR）。甘露醇通过磷酸烯醇式丙酮酸糖苷转移酶系统（PTS）运输到细胞质中，并转化为果糖-6-磷酸（F-6-P）。插图是振荡菌属物种dhg的扫描电子显微镜（SEM）图像，比例尺表示1 μm。

其他缩写如下：ED途径为Entner–Doudoroff途径，EMP途径为Embden–Meyerhof–Parnas途径，KDG为2-酮-3-脱氧葡萄糖酸，KDPG为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸，M-1-P为甘露醇-1-磷酸，F-1,6-BP为果糖1,6-二磷酸，DHAP为二羟丙酮磷酸，1,3-BPG为1,3-二磷酸甘油酸，3-PG为3-磷酸甘油酸，2-PG为2-磷酸甘油酸，PEP为磷酸烯醇式丙酮酸，CIT为柠檬酸，ACN为顺乌头酸，ICT为异柠檬酸，αKG为α-酮戊二酸，SUC为琥珀酸，FUM为延胡索酸，MAL为苹果酸，OAA为草酰乙酸。

b，振荡菌属物种dhg在补充4 g L^-1不同碳源的最小培养基中的最大比生长速率（h^-1）。

c，最大糖摄取速率（g g^-1干细胞重量（DCW）h^-1）。

d，基于RNA-Seq结果，在海藻酸盐和甘露醇同化期间与葡萄糖同化期间相比的基因表达变化倍数。

e，振荡菌属物种dhg同时同化海藻酸盐和甘露醇。闭合黑圈，OD₆₀₀；闭合倒三角形，海藻酸盐；开放红三角形，甘露醇。误差线表示三个独立培养的的标准偏差（n = 3）。白点表示实际数据点。图1b、1c和1d的源数据作为源数据文件提供。

图2| 振荡菌属物种dhg中基因表达的精确控制

a，组成型启动子（P_J23119，相当于P_VP15）和各种诱导型启动子（P_lac、P_tac、P_tet、P_ara和P_T7）在sgfp表达方面的评估。对于诱导型表达，分别添加1 mM IPTG、100 μg mL^-1 aTc或10 g L^-1阿拉伯糖。***p < 0.001（双侧t检验）。

b，不同合成启动子控制下sgfp表达的相对荧光值。每个荧光值均以最高值进行归一化。插图显示预测的启动子强度与测量的荧光值之间的正相关性（R² = 0.72）。

c，不同5′-UTRs功能下sgfp表达的相对荧光值。每个荧光值均以最高值进行归一化。插图显示预测的折叠能量（ΔG_UTR）与测量的荧光值之间的高相关性（R² = 0.79）。所有值均针对背景荧光（VDHG001菌株的荧光）进行了调整。误差线表示三个独立培养的标准偏差（n = 3）。白点表示实际数据点。图2a、2b和2c的源数据作为源数据文件提供。

图3| 使用工程化振荡菌属物种dhg菌株的生物化学生产

a，乙醇生产途径。对于乙醇生产，来自Z. mobilis的pdc（丙酮酸脱羧酶）和aldB（醛脱氢酶）在P_VP15启动子和合成5′-UTR下表达。为了提高产量，从染色体中移除了ldhA、frdABCD和pflB。

b，VDHG411菌株在24小时内的发酵曲线。闭合黑圈，OD₆₀₀；闭合倒蓝色三角形，海藻酸盐；开放蓝色三角形，甘露醇；闭合紫色六边形，乙酸；绿色十字，乳酸；闭合红色方块，乙醇。

c，2,3-丁二醇（BDO）生产途径。来自E. aerogenes的budABC操纵子在P_VP15启动子和合成5′-UTR下表达。

d，VDHG421菌株在24小时内的发酵曲线。闭合黑圈，OD₆₀₀；闭合倒蓝色三角形，海藻酸盐；开放蓝色三角形，甘露醇；闭合紫色六边形，乙酸；开放橙色菱形，乙偶姻；闭合红色方块，2,3-BDO。

e，番茄红素生产途径。对于番茄红素生产，来自L. purpurea的crtEBI操纵子（编码GGPP合酶、类胡萝卜素合成酶和类胡萝卜素脱饱和酶）在P_VP13启动子和合成5′-UTR下表达。为了提高滴度，额外表达了来自E. coli W3110的dxs（DXS合酶）、idi（IPP异构酶）和ispA（FPP合酶）。