李燕軍,趙 巖,黃龍輝,李 娟,謝希賢,陳 寧

(1.代謝控制發(fā)酵技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室,天津 300457;2.天津市氨基酸高效綠色制造工程實驗室,天津 300457; 3.天津科技大學(xué) 生物工程學(xué)院,天津 300457)

微生物同步利用葡萄糖和木糖代謝工程概述

李燕軍1,2,3,趙 巖1,2,3,黃龍輝1,2,3,李 娟1,2,3,謝希賢1,2,3,陳 寧1,2,3

(1.代謝控制發(fā)酵技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室,天津 300457;2.天津市氨基酸高效綠色制造工程實驗室,天津 300457; 3.天津科技大學(xué) 生物工程學(xué)院,天津 300457)

現(xiàn)階段,隨著資源枯竭和環(huán)境污染問題的日益突出,利用農(nóng)業(yè)廢棄物等木質(zhì)纖維素原料發(fā)酵生產(chǎn)生物產(chǎn)品、生物能源和生物材料已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界和社會的共識.微生物同步利用葡萄糖和木糖是木質(zhì)纖維素生物煉制的重要內(nèi)容，同時也有利于提高芳香族氨基酸等產(chǎn)品的發(fā)酵性能.然而,由于碳分解代謝物阻遏(葡萄糖效應(yīng))的存在,大多數(shù)微生物并不具備這種特性,迫切需要采用代謝工程手段構(gòu)建高效同步利用葡萄糖和木糖的菌株.首先對微生物同步利用葡萄糖和木糖的意義進行了說明,然后闡述了氨基酸和核苷生產(chǎn)菌大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和谷氨酸棒桿菌葡萄糖效應(yīng)的分子機制和破除策略,同時介紹了一些能夠同步代謝葡萄糖和木糖的工程菌株的實際應(yīng)用.

木糖;氨基酸;大腸桿菌;枯草芽孢桿菌;谷氨酸棒桿菌;碳分解代謝物阻遏

隨著石化資源的過度消耗和越來越嚴重的環(huán)境污染問題,綠色、可再生資源的開發(fā)利用已經(jīng)成為人類面臨的緊迫任務(wù),也是未來制約我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重要因素.當今,發(fā)酵工業(yè)為關(guān)乎國計民生的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一,而我國已發(fā)展成為發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸、有機酸等產(chǎn)品的“世界工廠”;然而其原料主要是糧食來源的淀粉糖,對我國的糧食安全構(gòu)成了潛在的威脅[1].因此,開發(fā)以農(nóng)業(yè)廢棄物為代表的木質(zhì)纖維素資源作為發(fā)酵原料具有重要的戰(zhàn)略意義.與糧食原料相比,木質(zhì)纖維素具有異質(zhì)性,由纖維素(40%～50%)、半纖維素(25%～30%)和木質(zhì)素(10%～20%)三部分構(gòu)成;纖維素和半纖維素水解后產(chǎn)生可發(fā)酵的己糖(主要是葡萄糖)和戊糖(主要是木糖),其中己糖約占2/3,戊糖約占1/3[2].木糖可占半纖維素水解液的90%,為木質(zhì)纖維素水解液中含量僅次于葡萄糖的一種單糖[3].另外,隨著環(huán)境污染壓力的增大,造紙行業(yè)需要清潔生產(chǎn),將會產(chǎn)生大量的半纖維素水解液來取代傳統(tǒng)的造紙黑液,為發(fā)酵工業(yè)提供木糖原料[4].

1 同步利用葡萄糖和木糖的意義

在長期適應(yīng)自然的進化過程中,微生物對不同碳源的利用形成了不同的優(yōu)先級,通常葡萄糖為最適碳源,當環(huán)境中缺乏葡萄糖時,微生物也可以利用其他碳源(如木糖)存活下來.這種微生物優(yōu)先利用葡萄糖的現(xiàn)象叫做碳分解代謝物阻遏(Carbon catabolite repression, CCR),也叫“葡萄糖效應(yīng)(Glucose effect)”.然而在發(fā)酵生產(chǎn)實踐中,我們希望微生物同步代謝葡萄糖和木糖.在木質(zhì)纖維素水解液的利用過程中,雖然有時我們只關(guān)注總可發(fā)酵糖到目標產(chǎn)品的最大轉(zhuǎn)化率,但是微生物對葡萄糖和木糖的相繼利用使得發(fā)酵周期延長,發(fā)酵過程控制變得異常復(fù)雜.由于葡萄糖分子對纖維素酶具有很強的反饋抑制作用,科學(xué)家們將木質(zhì)纖維素的酶解和發(fā)酵過程偶聯(lián)起來,開發(fā)了同步糖化發(fā)酵(Simultaneous saccharification and fermentation, SSF)工藝,其特點是維持葡萄糖消耗和產(chǎn)生速率的動態(tài)平衡,解除酶解抑制的同時大大降低了操作成本.但是,由于CCR的存在,水解液中的木糖不斷累積,若在葡萄糖耗盡時實現(xiàn)木糖的利用,則破壞了SSF的連續(xù)性,使糖化和發(fā)酵的偶聯(lián)失去意義.一條解決該問題的途徑是應(yīng)用解除CCR、能夠同步利用葡萄糖和木糖的菌株,開發(fā)同步糖化與共發(fā)酵(Simultaneous saccharification and co-fermentation, SSCF)工藝.

除了在木質(zhì)纖維素利用方面的應(yīng)用,微生物同步代謝葡萄糖和木糖在氨基酸、核苷和衍生物的發(fā)酵中具有重要意義.當前,從自然界分離的可以天然代謝木糖的微生物主要包括細菌、酵母和絲狀真菌.如圖1所示,酵母和一些真菌通過木糖還原酶-木糖醇脫氫酶途徑(XR-XDH pathway)代謝木糖:進入細胞內(nèi)的木糖首先在依賴于NADPH的木糖還原酶(Xylose reductase,XR)的作用下轉(zhuǎn)化為木糖醇,隨后通過NAD+依賴型木糖醇脫氫酶(Xylitol dehydrogenase,XDH)形成木酮糖,最后再經(jīng)過木酮糖激酶(Xylulose kinase,XK)催化形成木酮糖-5-磷酸,由此進入戊糖磷酸途徑(Pentose phosphate pathway, HMP)[5-6].然而,在常見的細菌如大腸桿菌中,木糖直接經(jīng)過木糖異構(gòu)酶(Xylose isomerase,XI)作用形成木酮糖而不需要輔酶參與,并隨后在XK催化下形成木酮糖-5-磷酸進入HMP.由于存在輔酶不平衡的問題,真菌的木糖代謝效率較低;細菌的木糖代謝途徑不需要輔酶參與,木糖在XI一種酶作用下即可轉(zhuǎn)化為木酮糖,木糖代謝效率較高,該途徑被稱為木糖異構(gòu)酶途徑(XI pathway).HMP是除糖酵解(Embden-Meyerhof-Parnas pathway,EMP)外細胞內(nèi)第二重要糖分解代謝途徑,為細胞的合成代謝提供多種原料.許多產(chǎn)品的合成需要EMP和HMP兩條中心代謝途徑的協(xié)調(diào)進行.在葡萄糖培養(yǎng)基中適量添加木糖,增強胞內(nèi)HMP,可能有利于微生物合成芳香族氨基酸(色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸)、組氨酸與核苷(腺苷、肌苷、鳥苷、胞苷和尿苷)以及某些維生素(維生素K、葉酸和核黃素等B族維生素)(圖1).芳香族氨基酸的合成需要經(jīng)過莽草酸途徑,以來源于HMP途徑的赤蘚糖-4-磷酸(Erythrose-4-phosphate,E4P)和來源于EMP的磷酸烯醇式丙酮酸(Phosphoenolpyruvate,PEP)作為共同初始底物[7].利用木糖除了容易生成E4P外,還可以減少PTS系統(tǒng)轉(zhuǎn)運葡萄糖過程對PEP的消耗.Li和Frost[8]構(gòu)建的重組菌,以木糖與葡萄糖的混合糖為碳源時,莽草酸產(chǎn)量比單獨利用葡萄糖時要高.無論是野生菌還是基因工程菌(目前代謝工程改造策略以葡萄糖出發(fā)),如果只以木糖作為培養(yǎng)基,預(yù)期不會取得理想的發(fā)酵效果.因為木糖本身不是很好的碳源,Buschke等[4]研究發(fā)現(xiàn)在木糖發(fā)酵過程中產(chǎn)生的CO2量明顯高于以葡萄糖為碳源時產(chǎn)生的CO2量,其生物量和戊二胺產(chǎn)量卻低于后者,他們認為這可能是由于木糖代謝中間產(chǎn)物5-磷酸-木酮糖繞開了NADPH的主要合成途徑,直接進入磷酸戊糖途徑的非氧化階段,為了維持NADPH的供給水平,大量的代謝流進入TCA所致.葡萄糖能夠成功進入HMP氧化階段,為同步利用葡萄糖和木糖(直接進入非氧化階段)提供可能[9].此時,葡萄糖提供菌體生長和代謝所需的能量與還原力,木糖提供某些產(chǎn)物合成的前體物,預(yù)期會比單獨利用某種碳源取得更好的效果.該策略已經(jīng)成功應(yīng)用于木糖醇的生產(chǎn)[10].

圖1 微生物同步利用葡萄糖和木糖合成多種氨基酸和核苷產(chǎn)品 Fig.1 Microbial production of several amino acids and nucleosides through simultaneous utilization of glucose and xylose

2 碳分解代謝物阻遏CCR機制

目前,發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸的菌種主要為大腸桿菌和谷氨酸棒桿菌,核苷類生產(chǎn)菌種主要為枯草芽孢桿菌(表1).大腸桿菌為革蘭氏陰性菌,枯草芽孢桿菌和谷氨酸棒桿菌為革蘭氏陽性菌,它們利用木糖都受到CCR調(diào)控,但具體機制有所差異.概括起來,細菌CCR調(diào)控木糖利用的機制包括以下3個方面:

1) 誘導(dǎo)物排阻(Inducer exclusion):當培養(yǎng)基中存在葡萄糖時,木糖向胞內(nèi)轉(zhuǎn)運受到抑制.

2) 木糖轉(zhuǎn)運蛋白和木糖降解酶(XI和XK)的表達受阻遏調(diào)控:葡萄糖在轉(zhuǎn)錄水平負調(diào)控這些蛋白的表達;當培養(yǎng)基中缺乏葡萄糖、存在木糖時,木糖轉(zhuǎn)運蛋白和XI、XK的轉(zhuǎn)錄被激活.

3) 木糖降解酶同時受到輔助蛋白的調(diào)控,在革蘭氏陰性菌中,代謝物基因激活蛋白(Catabolite activator protein,CAP;也叫cAMP receptor protein,CRP)復(fù)合物激活木糖降解酶基因的轉(zhuǎn)錄;在革蘭氏陽性菌中,代謝物控制蛋白(Catabolite control protein,CcpA)輔阻遏基因轉(zhuǎn)錄.

在大腸桿菌(Esherichiacoli)中,以上3種CCR調(diào)控機制都存在.1) 大腸桿菌木糖轉(zhuǎn)運蛋白包括低親和力的XylE和高親和力的XylFGH,xylF編碼周質(zhì)木糖結(jié)合蛋白,xylG編碼ATP酶,xylH編碼透性酶[11].當木糖存在時,與轉(zhuǎn)錄因子XylR結(jié)合,激活xylE，xylFGH和xylAB的轉(zhuǎn)錄[12],然而當葡萄糖存在時,這些操縱子的轉(zhuǎn)錄受到抑制,可能是阻斷了木糖的誘導(dǎo)作用.2) 大腸桿菌中,誘導(dǎo)物排阻(木糖攝取)的調(diào)控與磷酸烯醇式丙酮酸:葡萄糖磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)(Phosphoenolpyruvate-glucose phosphotransferase system,PTS)相關(guān)聯(lián).通常,葡萄糖PTS轉(zhuǎn)運系統(tǒng)由3類蛋白質(zhì)構(gòu)成:磷酸烯醇式丙酮酸依賴性蛋白激酶I(EI)、含組氨酸的磷?；d體蛋白(HPr)和葡萄糖特異性酶II(EII).大腸桿菌EII包括兩個蛋白:分別是crr編碼的EIIA和ptsG編碼的EIIBC(兩個結(jié)構(gòu)域),后者為跨膜蛋白,葡萄糖在通過EIIBC的過程中伴隨著一系列的磷酸化反應(yīng),磷酸基團由PEP依次轉(zhuǎn)移至EI,HPr,EIIA,EIIBC和底物葡萄糖.其中,EIIA是大腸桿菌CCR調(diào)控的關(guān)鍵因子,當葡萄糖存在時,由于具有更高的親和力而結(jié)合大量磷酸基團,使得EIIA以去磷酸化的形式積累,去磷酸化的EIIA能夠結(jié)合到XylE和XylH上,從而抑制木糖的跨膜運輸.當培養(yǎng)基中缺乏葡萄糖時,EIIA以磷酸化形式大量存在,不能結(jié)合木糖轉(zhuǎn)運蛋白,從而解除誘導(dǎo)物排阻.3) 此外,EIIA還在CRP-cAMP介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄激活中發(fā)揮重要作用.當葡萄糖缺乏時,磷酸化的EIIA激活腺苷酸環(huán)化酶,將ATP轉(zhuǎn)化為cAMP,然后cAMP與CRP結(jié)合形成復(fù)合物,從而激活木糖轉(zhuǎn)運和代謝相關(guān)操縱子的轉(zhuǎn)錄.

枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)也存在上述3種CCR調(diào)控機制,但具體作用機理與大腸桿菌差異很大,且更復(fù)雜.1) 枯草芽孢桿菌的木糖代謝基因也形成操縱子xylAB,其表達受到阻遏蛋白XylR的嚴格調(diào)控,木糖的結(jié)合能夠使XylR失去活性,從而誘導(dǎo)xylAB轉(zhuǎn)錄,但當葡萄糖或葡萄糖-6-磷酸存在時,其對XylR的親和力比木糖要高,轉(zhuǎn)錄依然不能起始.枯草芽孢桿菌中,木糖轉(zhuǎn)運蛋白為H+同向運輸?shù)鞍譇raE,AraE為非特異性蛋白,可以轉(zhuǎn)運阿拉伯糖、木糖和半乳糖.調(diào)控蛋白AraR阻遏araE的轉(zhuǎn)錄,調(diào)節(jié)AraR活性的底物為阿拉伯糖而非木糖,當阿拉伯糖存在時,AraR失去活性開啟araE的轉(zhuǎn)錄.2) 枯草芽孢桿菌代謝物排阻也與PTS相偶聯(lián),不同的是其關(guān)鍵因子為HPr而非EIIA.HPr上組氨酸殘基磷酸化后,將磷酸基團通過EIIBC傳遞給葡萄糖,同時HPr(His-P)與其他PTS系統(tǒng)的EIIBC相作用,阻斷了其他糖類的跨膜運輸.目前尚沒有HPr(His-P)與AraE作用的報道.然而,當葡萄糖存在時,CcpA可以結(jié)合到araE的mRNA前導(dǎo)區(qū),干擾轉(zhuǎn)錄延伸,使AraE不能正常表達[13].這可能是枯草芽孢桿菌排阻誘導(dǎo)物木糖的替代作用機制.3) HPr參與CcpA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄阻遏調(diào)控,其中一個同源六聚體的雙功能HPrK發(fā)揮重要作用.果糖-1,6-二磷酸或葡萄糖-6-磷酸濃度高時(表示糖酵解活性高),HPrK發(fā)揮激酶活性,磷酸化HPr上46位絲氨酸殘基,HPr(46Ser-P)作為效應(yīng)物使二聚體CcpA結(jié)合到有關(guān)操縱子上游代謝物阻遏元件(Catabolite repression element,cre)序列,抑制轉(zhuǎn)錄的起始[14].與之相反,當營養(yǎng)匱乏時,HPrK發(fā)揮磷酸化酶的活性,使得HPr絲氨酸殘基去磷酸化,不能作為CcpA的輔因子調(diào)控轉(zhuǎn)錄.胞內(nèi)無機磷的積累能夠強化HPrK磷酸化酶的活性[15].

與大腸桿菌和枯草芽孢桿菌相比,谷氨酸棒桿菌(Corynebacteriumglutamicum)不存在典型的CCR調(diào)控系統(tǒng).由于缺乏xylA,谷氨酸棒桿菌不能利用木糖,但其基因組上存在xylB.Kawaguchi等[16]在谷氨酸棒桿菌中過表達來源于大腸桿菌的xylA時,菌株能夠以木糖為唯一碳源生長.谷氨酸棒桿菌缺乏CRP和CcpA,雖然相繼利用葡萄糖和其他碳源,但不出現(xiàn)典型的二次生長[17],甚至可以同步代謝葡萄糖和乙酸、葡萄糖和葡萄糖酸[18-19].xylB的轉(zhuǎn)錄受到阻遏蛋白AltR的調(diào)控,木糖(或其代謝物木酮糖、阿拉伯糖醇)作用于AtlR可以激活轉(zhuǎn)錄,目前尚不清楚xylB是否受到葡萄糖的調(diào)控.然而,當培養(yǎng)基中存在葡萄糖時,木糖的代謝被抑制,可能的機制是誘導(dǎo)物排阻.但是,目前谷氨酸棒桿菌的木糖轉(zhuǎn)運途徑尚不清楚,我們推測與釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)和運動發(fā)酵單胞菌(Zymomonasmobilis)一樣,木糖通過葡萄糖運輸途徑被吸收進胞內(nèi),因此,葡萄糖競爭性地抑制木糖的跨膜轉(zhuǎn)運.表1匯總了大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和谷氨酸棒桿菌木糖代謝、轉(zhuǎn)運、CCR調(diào)控機制、關(guān)鍵因子以及破解策略等方面的異同.

表1 大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和谷氨酸棒桿菌木糖利用相關(guān)特性

3 CCR解除策略及應(yīng)用

目前,對解除大腸桿菌CCR、構(gòu)建葡萄糖和木糖同步利用菌株的研究較多.根據(jù)大腸桿菌CCR機制,全局調(diào)控基因ptsG,crp和ccr成為首選代謝工程改造靶點.EIIBC(ptsG)缺失的大腸桿菌能夠激活半乳糖透性酶來運輸葡萄糖,雖然葡萄糖的利用受到一定影響,但菌株能夠同步代謝葡萄糖和木糖,生長周期比對照縮短16%[20].同樣,Nichols等[21]也發(fā)現(xiàn)ptsG突變菌株能夠同步利用葡萄糖和木糖.從該菌株出發(fā)構(gòu)建乳酸發(fā)酵菌,在葡萄糖存在的條件下,木糖消耗達到75%,而ptsG+對照菌只消耗了18%～20%的木糖[22].Cirino等[10]將crp基因替換為對胞內(nèi)cAMP濃度不敏感的突變體,也實現(xiàn)了葡萄糖和木糖的同步利用.然而,這些改變?nèi)终{(diào)控因子的策略一定程度上影響了菌株對葡萄糖的正常攝入和代謝.換個角度,改變木糖利用操縱子的啟動區(qū)域使其變?yōu)榻M成型表達也可能是解除CCR調(diào)控的一種策略.但是,Kim等[23]用合成啟動子組成型表達xylAB,xylFGH和xylE,工程菌株AXcp出現(xiàn)嚴重的生長缺陷,于是他們采用定向進化的手段在木糖培養(yǎng)基上培養(yǎng)50 d,獲得了生長性能回復(fù)并能高效同步利用葡萄糖和木糖的菌株GX50,測序并采用基因重建策略證明,該菌株pyrE基因突變可能是菌體生長回復(fù)的原因,xylA和araE上游非編碼區(qū)發(fā)生了點突變,導(dǎo)致木糖代謝速率提高.可見,利用定性進化獲得性狀優(yōu)良的菌株,然后采用反向遺傳學(xué)手段重建工程菌也是重要的研究思路,將與理性從頭設(shè)計相輔相成,發(fā)揮越來越重要的作用.

與大腸桿菌相比,有關(guān)枯草芽孢桿菌同步利用葡萄糖和木糖代謝工程的報道很少.由于枯草芽孢桿菌CCR調(diào)控機制更加復(fù)雜而嚴謹,目前尚無直接改造CCR全局性調(diào)控因子的研究.枯草芽孢桿菌中,木糖通過單一的蛋白AraE向胞內(nèi)運輸.Park等[24]將araE基因構(gòu)建在xylA啟動子和fba終止子之間,整合到B.subtilis168基因組上,菌株能夠高效吸收木糖,但木糖的快速代謝還是發(fā)生在葡萄糖基本耗盡之時.同樣,利用P43強啟動子組成型表達AraE也取得很好的效果,同時過表達大腸桿菌來源的xylAB,菌株可以同步利用葡萄糖和木糖,但耗糖速率較低[25].

近年來,對谷氨酸棒桿菌葡萄糖和木糖共利用的代謝工程研究逐漸多了起來.Kawaguchi等[16]在C.glutamicumR菌株中過表達來源于大腸桿菌的xylA,菌株能夠利用木糖作為唯一碳源生長,同時過表達xylA和xylB,菌體生長加快,且轉(zhuǎn)換為厭氧條件時能夠同步代謝5%的葡萄糖和2.5%的木糖.之后,他們將大腸桿菌xylAB串聯(lián)整合到C.glutamicumR基因組上,結(jié)果表明整合5個拷貝數(shù)時菌株的木糖消耗速率最快,該菌轉(zhuǎn)移至厭氧條件下12 h即可同步消耗完40 g/L葡萄糖和20 g/L木糖[26].國內(nèi),南京工業(yè)大學(xué)的學(xué)者對谷氨酸棒桿菌利用木糖進行了研究,Wang等[27]利用trc啟動子將大腸桿菌的xylA和xylB在C.glutamicum13032中過表達,菌體轉(zhuǎn)至厭氧條件發(fā)酵48 h,能夠利用玉米芯水解液中55 g/L木糖和4 g/L葡萄糖生成40.8 g/L琥珀酸.上述研究均是在谷氨酸棒桿菌中異源表達木糖代謝操縱子,沒有涉及內(nèi)源xylB的轉(zhuǎn)錄控制和應(yīng)用,同時并沒有解除好氧條件下葡萄糖對木糖利用的抑制作用.我們推測,在厭氧條件下菌體TCA循環(huán)減弱導(dǎo)致胞內(nèi)供能減少,影響了葡萄糖通過PTS進入細胞(該過程與磷酸化相偶聯(lián)),從而使木糖向胞內(nèi)的運輸增加,實現(xiàn)了菌體對葡萄糖和木糖的共利用.目前,關(guān)于利用葡萄糖和木糖混合糖發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸的報道較少[28].Gopinath等[29]過表達大腸桿菌的xylA來發(fā)酵水稻秸稈酸水解液,谷氨酸和賴氨酸產(chǎn)量分別為出發(fā)菌的4.8倍和2.9倍.Meiswinkel等[30]對不同來源的xylA和xylB組合進行了優(yōu)化,分別以木糖和水稻秸稈水解液為碳源,谷氨酸、賴氨酸和鳥氨酸的生產(chǎn)強度都顯著提高.

4 結(jié) 論

綜上所述,微生物同步代謝葡萄糖和木糖在木質(zhì)纖維素資源利用方面具有重要意義,其在芳香族氨基酸、組氨酸和核苷發(fā)酵中的特殊意義迫切需要證實.目前雖然有一些利用木糖發(fā)酵氨基酸的報道,但產(chǎn)量都非常低.原因首先是對構(gòu)建同步利用葡萄糖和木糖菌株的代謝工程研究還不夠深入,其次是在工業(yè)生產(chǎn)菌株中缺乏對這種策略的應(yīng)用.筆者所在團隊長期從事氨基酸和核苷的發(fā)酵,谷氨酸棒桿菌為重要的氨基酸生產(chǎn)菌,且與大腸桿菌和枯草芽孢桿菌相比,其葡萄糖效應(yīng)的調(diào)控機制要簡單得多,因此,我們正致力于谷氨酸棒桿菌同步利用葡萄糖和木糖的代謝工程改造及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用.然而,谷氨酸棒桿菌向胞內(nèi)運輸木糖的途徑尚不清楚,成為重要的制約因素,目前的報道多是利用谷氨酸棒桿菌靜息細胞可以高效合成產(chǎn)物的特性,在厭氧條件下發(fā)酵生產(chǎn)琥珀酸等有機酸.要獲得真正在高耗氧條件下同步利用葡萄糖和木糖的菌株,并應(yīng)用于氨基酸生產(chǎn),還需要更加系統(tǒng)深入的研究.

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(責(zé)任編輯：朱小惠)

Overview of metabolic engineering on simultaneous utilization of glucose and xylose by microbes

LI Yanjun1,2,3, ZHAO Yan1,2,3, HUANG Longhui1,2,3, LI Juan1,2,3, XIE Xixian1,2,3, CHEN Ning1,2,3

(1. National and Local United Engineering Lab of Metabolic Control Fermentation Technology, Tianjin 300457, China; 2. Tianjin Engineering Lab of Efficient and Green Amino Acid Manufacture, Tianjin 300457, China; 3. College of Biotechnology, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China)

At present, as the resource exhaustion and environment pollution problems become more and more serious, the production of bioproducts including biofules and biomaterials from agricultural waste and other lignocellulosic feedstocks has attracted a great deal of attention. The microbial co-utilization of glucose and xylose is essential in lignocellulose biorefinery, and meanwhile is beneficial in improving fermentation performance for aromatic amino acids. Nevertheless, because of the existence of carbon catabolite repression (glucose effect), most microbes don’t have this ability. Therefore, it is urgent to construct strains that simultaneously use glucose and xylose by metabolic engineering technologies. In this study, the significance of simultaneous utilization of glucose and xylose by microbes was stated, as well as the mechanisms of glucose effect and its break-down methods in amino acids and nucleotides producing strains such asEsherichaicoli,Bacillussubtilis, andCorynebacteriumglutamicumwere elaborated. In addition, the applications of glucose and xylose co-metabolizing strains were introduced.

xylose; amino acid;Escherichiacoli;Bacillussubtilis;Corynebacteriumglutamicum; carbon catabolite repression

2016-05-16

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目(31500026);中國博士后科學(xué)基金資助項目(2016M601269)

李燕軍(1983—),男,山西呂梁人,講師,博士,研究方向為谷氨酸棒桿菌代謝工程,E-mail:yili@tust.edu.cn.

Q591

A

1674-2214(2017)01-0054-06