氧化葡萄糖酸杆菌同步催化氧化木质纤维素水解糖的反应调控机制

Aldonic acids produced from lignocellulosic materials by whole-cell catalysis offer a valuable alternative for biorefinery. Gluconobacter oxydans (G. oxydans) is one of the most favored microorganisms applied in aldonic acids production due to its higher tolerance for inhibitors from pretreatment process and higher bio-oxidative capability of pentose/hexose. However, there are still two barriers to resist the development of aldonic acids biorefinery industry. One is that the pentose and hexose can not be simultaneously catalyzed; and another is that the catalytic efficiency of aldonic acid will be limited due to the degradations from the pretreatment of lignocellulosic materials. In this proposal, the key genes and enzymes (dehydrogenase) of pentose and hexose metabolism will be firstly confirmed by RNA-Seq and comparison analysis of transcript profiles. And then, based on analysis involved the effect of environment factors and conditional factors for whole-cell G. oxydans, the regulated strategies will be selectively put forward to improve the simultaneous production efficiency of aldonic acids. The objective of this project is expected to establish an efficient production process of aldonic acids by whole-cell catalysis of G. oxydans, which will subsequently facilitate advancement of industrial lignocellulosic biorefinery.

全细胞生物催化氧化木质纤维素水解糖生产糖酸是当前木质纤维素生物转化的重要出路之一。此外，氧化葡萄糖酸杆菌因其卓越的己糖/戊糖氧化能力及抑制物耐受能力，为当前木质纤维素水解糖糖酸工业化生产的最佳选择。针对当前利用氧化葡萄糖酸杆菌全细胞催化氧化木质纤维素水解糖生产糖酸过程中主要面临己糖/戊糖生物催化氧化同步性差以及受木质纤维素水解糖液的抑制效应导致生产性能下降两个关键性问题。基于以上，本项目拟通过对糖酸代谢关键性基因/蛋白/酶的解析，并基于细胞对微环境的环境因子与条件因子的响应研究，从细胞宏观生理学角度发掘细胞水平的催化调控因素，旨在有针对性提出控制策略以促进建立木质纤维素水解糖的高效同步催化氧化制备C5/C6糖酸的方法。

本项目基于木质纤维素水解糖体系的糖酸高效合成目标，以氧化葡萄糖酸杆菌为实验菌株，主要开展了全细胞催化氧化合成糖酸的抑制动力学、环境和条件因子筛选等方面的研究。首先，解析了细胞催化转化木质纤维素水解液主要糖组分的抑制反应动力学，结果表明糖降解副产物（弱酸性与醛类）会显著降低糖酸生产效率与得率；水溶性木质素对细胞催化氧化木糖有较强的促进作用，通过外源添加0.5g/L水溶性木质素，木糖酸产率提高30%；大分子物质（水解蛋白与胶质）对水解液体系的增粘效应会极大阻碍溶解氧的有效传递，通过活性炭大分子吸附有效消减了粘性组分含量，水解液（含有150 g/L木糖）粘度下降约40%，初步实现了高浓度稀硫酸水解液的发酵罐体系通风搅拌直接发酵，产品浓度达143.6 g/L。此外，针对木质纤维素酶水解液（葡萄糖为主），氧化葡萄糖酸杆菌难以可控性（定向）转化葡萄糖的问题，通过耦合RQ-PCR 技术开展了细胞对微环境的响应机制研究，结果表明通过pH胁迫（3.0~4.0）可弱化葡萄糖酸的分解，在酶水解液体系实现葡萄糖酸得率达到96%；通过外源添加乙酸根离子可以弱化糖的胞内代谢，强化2-酮基-葡萄糖酸的积累，在酶水解液体系实现了2-酮基-葡萄糖酸得率超过80%；以浓缩纤维素酶解液为原料，通过活性炭处理与高压供氧体系（通氧加压全细胞催化模型）相结合的策略提高效率实现了葡萄糖酸浓度可达231.2 g/L，单位体积生产速率达到9.6 g/L/h。综上所述，基于强化合成与弱化分解理论要求，该项目在模型研究的基础上实现了木质纤维素水解糖糖酸的高效生物制取，为木质纤维素生物炼制与产品创制提供了新思路。