通过适应性实验室进化对产乙酸梭菌属 AWRP 菌株进行代谢重编程以改善其基于甲酸盐的生长

《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》：Metabolic reprogramming of the acetogen Clostridium sp. AWRP via adaptive laboratory evolution for improved formate-based growth

　　

摘要

甲酸根是一种有前景的可持续原料，可通过伍德 - 朗根达尔途径进行微生物转化以生产高附加值产品。基于在梭菌属菌株 AWRP 中鉴定出三种不同的甲酸脱氢酶，本研究探讨了这种产乙酸菌基于甲酸生长的潜力。尽管野生型菌株因甲酸毒性表现出延长的迟缓期，但适应性实验室进化获得了适应性菌株 F30T，该菌株显示出显著增强的生长速率以及对高达 300 mM 甲酸浓度的耐受性。对 F30T 菌株的全基因组和转录组分析揭示了一种复杂的多层策略，用于减轻有机酸应激并优化能量保存。适应性实验室进化导致了六个关键非同义突变，其中包括ackA 和adhE1，并在补充甲酸的条件下触发了 4199 个基因中 948 个基因的差异化表达。具体而言，F30T 通过上调精氨酸脱亚胺酶途径、组氨酸生物合成和乙醇胺利用，实现了细胞内 pH 缓冲和补充性 ATP 生成。为了维持接近热力学极限的生长，该菌株通过下调 F?F? 型 ATP 合酶和伍德 - 朗根达尔途径的甲基支路实施了严格的节能程序，同时通过上调分子伴侣来增强应激韧性。在使用甲酸的恒定 pH 补料分批发酵系统中，适应性菌株 F30T 显示出更高的生物量得率，同时实现了与野生型菌株相似的甲酸乙酸得率。本研究证明，适应性实验室进化是提高梭菌属菌株 AWRP 甲酸利用率和应激耐受性的一种非常有效的策略。通过整合基因组和转录组分析，阐明了 F30T 菌株性能改善的分子基础，确定了维持细胞稳态和最大化能量效率的关键突变以及协调的代谢和调控机制。这些发现提供了有价值的分子见解，有助于针对旨在实现可持续的基于一碳化学生物生产的微生物细胞工厂，对利用甲酸的产乙酸菌进行靶向设计和优化。