Metabolic Engineering of Gas-Fermenting Clostridium ljungdahlii for Efficient Co-production of Isopropanol, 3-Hydroxybutyrate, and Ethanol

代谢工程 发酵 化学 商品化学品 合成气 生物燃料 生物生产 自养 梭菌 生物化学 生化工程 细菌 生物技术 生物 催化作用 工程类 遗传学
作者
Dechen Jia,Meiyu He,Tian Yi,Shaohuang Shen,Xianfeng Zhu,Yonghong Wang,Yingping Zhuang,Weihong Jiang,Yang Gu
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:10 (10): 2628-2638 被引量:34
标识
DOI:10.1021/acssynbio.1c00235
摘要

Rational design and modification of autotrophic bacteria to efficiently produce high-value chemicals and biofuels are crucial for establishing a sustainable and economically viable process for one-carbon (C1) source utilization, which, however, remains a challenge in metabolic engineering. In this study, autotrophic Clostridium ljungdahlii was metabolically engineered to efficiently co-produce three important bulk chemicals, isopropanol, 3-hydroxybutyrate (3-HB), and ethanol (together, IHE), using syngas (CO2/CO). An artificial isopropanol-producing pathway was first constructed and optimized in C. ljungdahlii to achieve an efficient production of isopropanol and an unexpected product, 3-HB. Based on this finding, an endogenous active dehydrogenase capable of converting acetoacetate to 3-HB was identified in C. ljungdahlii, thereby revealing an efficient 3-HB-producing pathway. The engineered strain was further optimized to reassimilate acetic acid and synthesize 3-HB by introducing heterologous functional genes. Finally, the best-performing strain was able to produce 13.4, 3.0, and 28.4 g/L of isopropanol, 3-HB, and ethanol, respectively, in continuous gas fermentation. Therefore, this work represents remarkable progress in microbial production of bulk chemicals using C1 gases.
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