【《微生物利用木糖的分析概述》2200字】

微生物利用木糖的研究概述目录TOC\o"1-3"\h\u2941微生物利用木糖的研究概述 1279041.1木糖代谢途径的应用 156831.2木糖转运蛋白的相关研究 5木糖大量存在于木质纤维素中，且在木质纤维素中占比排名第二，占木质纤维素水解液中总糖的30%以上，是一种极具吸引力的可再生化工原料[12]。目前的木糖制作工艺通常是在高温条件下，加酸水解纤维原料，因此成本相对葡萄糖较高然而，此外，只有少部分微生物能够代谢木糖，所以如何让微生物对木糖的利用效率与葡萄糖一样高，仍然是相当具有挑战性的。因此，开发有效的代谢途径和合理的优化策略将木糖转化为所需的产物对木质纤维素的充分利用至关重要。1.1木糖代谢途径的应用木糖在大肠杆菌中生产乙醇酸YvanCam等[13]设计了一条可将D-木糖同化为增值产品的合成代谢途径，见图1-3.图1-5D-木糖和D-葡萄糖吸收的天然和合成途径木酮糖-1p途径的合成反应用蓝色表示。可能的产品用红色标出。（1）D-木糖异构酶，(2)D-木酮糖-1-激酶，(3)D-木酮糖-1p醛缩酶，(4)乙醇醛脱氢酶，(5)乙醇醛还原酶，(6)乙醇酸氧化酶Figure1-5NaturalandsyntheticpathwaysforD-xyloseandD-glucoseabsorptionThesynthesisreactionofthexylulose-1ppathwayisshowninblue.Possibleproductsaremarkedinred.（1）D-xyloseisomerase，（2）D-xylulose-1-kinase，（3）D-xylulose-1paldolase，（4）Glycolaldehydedehydrogenase，（6）Glycolateoxidase图1-3中，2、3为合成途径，1、2、3为木酮糖-1p途径。在合成途径中，D-木糖通过内源性木糖异构酶(xylA)转化为D-木酮糖。D-木酮糖-1-激酶(Khk-C)磷酸化D-木酮糖以获得D-木酮糖-1-p，然后D-木酮糖-1-p醛缩酶(Aldo-B)裂解D-木酮糖-1p生成乙醇醛和磷酸二羟丙酮（Dihydroxyacetonephosphate，DHAP）。最后乙醇醛脱氢酶（AldA）将乙醇醛氧化成乙醇酸。实验发现，敲除编码D-木酮糖-5激酶的基因XylB，可以阻止磷酸戊糖途径的木糖代谢，提升对木糖的利用效率。敲除编码乙醇酸氧化酶三个亚基之一的glcD基因，可以阻止乙醇酸被氧化为乙醛酸，以增加乙醇酸在菌体内的积累。此外，该途径的乙醇醛和DHAP都可转化为乙醇酸，上述两个途径的理论产量比通过乙醇酸分流单独生产乙醇酸的产量高出20%。木糖在大肠杆菌中生产乙二醇HuaiweiLiu[14]等研究了一条利用木糖在大肠杆菌内合成乙二醇的生物合成途径。图1-6木糖在大肠杆菌中合成乙二醇的路线。Xdh，D-木糖脱氢酶；YjhG/YagF，D-木酸脱水酶；YjhH/YagE，2-脱氢-3-脱氧-D-戊酸酯醛缩酶；YqhD，乙醛还原酶；XI，D-木糖异构酶；AldA，乙醛脱氢酶Figure1-6TherouteofxylosetosynthesizeethyleneglycolinE.coli.Xdh,D-xylosedehydrogenase;YjhG/YagF,D-xylonicaciddehydratase;YjhH/YagE,2-dehydro-3-deoxy-D-pentonatealdolase;YqhD,aldehydereductase;XI,D-xyloseisomerase;AldA,lactaldehydedehydrogenase木糖进入大肠杆菌后，分别由Xdh编码的木糖脱氢酶与Xl编码的木糖异构酶转化为D-木糖醛酸与D-木酮糖。D-木糖醛酸由YjhG/YagF编码的D-木酸脱水酶转化为2-脱氢-3-脱氧-D-戊酸酯，其中部分由YjhH/YagE编码的2-脱氢-3-脱氧-D-戊酸酯醛缩酶转化为乙醇醛，部分转化为丙酮酸。乙醇醛一部分通过Yqhd编码的乙醛还原酶还原为乙二醇，一部分由AldA编码的乙醛脱氢酶氧化为乙醇酸。最终的产量能从40g/L的木糖中生产11.7g/L的乙二醇。二碳与三碳途径接合利用木糖对于乙醇酸(Glycolicacid，GA)这种二碳产物，通常是通过三碳中间体损失一个碳合成的，这种途径的理论产量为2：3C-mol-产物/C-mol-底物。如图1-7所示，BrianPereira等[15]通过阻止木糖的磷酸戊糖代谢途径，将木糖裂解成二碳和三碳中间体，理论上该方法产量为4：5C-mol-产物/C-mol-底物，与前者相比有20%的改善。图1-7木糖生产乙醇酸的代谢网络Figure1-7Themetabolicnetworkfortheproductionofglycolicacidfromxylose蓝色反应和中间体是戊糖裂解成二碳和三碳中间体，绿色是二碳中间体的转化，红色是三碳中间体的转化。灰色反应代表敲除相关基因。Figure1-7ThemetabolicnetworkfortheproductionofglycolicacidfromxyloseThebluereactionandintermediateisthecleavageofpentoseintotwo-andthree-carbonintermediates,thegreenistheconversionoftwo-carbonintermediates,andtheredistheconversionofthree-carbonintermediates.Thegrayresponserepresentsknockoutofrelatedgenes.XylB的敲除中断了磷酸戊糖途径，使木糖能成功裂解为二碳、三碳中间体。FucA的表达使D-核酮糖-1P裂解为二碳中间体乙醇醛和三碳中间体磷酸二羟丙酮（Dihydroxyacetonephosphate，DHAP），乙醇醛通过AldA的表达被氧化为乙醇酸，DHAP则通过乙醇醛旁路转化为乙醛酸，再通过YcdW的表达被还原为乙醇酸。删除不同基因的菌株经过实验以验证这些基因对生产GA的影响，结果表明FucO的删除对GA的生产几乎无影响，GlcD的敲除对GA的产量提高有显著影响，产量达到0.44g/g（理论途径产量为0.50g/g）。Gcl（编码乙醇醛连接酶）的敲除可以防止乙醛酸通过副反应损失。AceB与GlcB（分别合成苹果酸合成酶的同工酶）的敲除可以减少乙醛酸旁路中乙醛酸的分流损失，可显著提高GA产量。AceAK的引入可以优化乙醛酸旁路，增加流向乙醛酸的碳通量。最终的菌株进行发酵实验，以单批约65g/L的木糖为底物，85h后D-木糖全部消耗，最终生产40g/L的GA，产量为0.63g/g（理论途径产量为1.0g/g）。与单独的二碳途径相比，二碳和三碳途径的结合产生了大约相同的效价，同时提高了大约40%的产率。1.2木糖转运蛋白的相关研究由于天然的盐单胞菌不能转运木糖，所以需要引入外源的木糖转运基因，使其拥有木糖转运蛋白并具有代谢木糖的能力。图1-8位于运动发酵单胞菌膜上进行了荧光标记的xylEFigure1-8FluorescentlylabeledxylEontheZymomonasmobilismembrane木糖转运蛋白XylE是主要的转运蛋白超家族(MFS)的成员，并作为相对低亲和力的d-木糖/质子转运蛋白。蛋白质XylF、XylG和XylH组成一个属于ATP结合盒(ABC)转运蛋白家族的高亲和力木糖转运蛋白，序列同源性分析表明，XylF是周质D-木糖结合蛋白，XylG是ATP结合蛋白，XylH是ABC转运蛋白的膜成分[12].他们都来源于大肠杆菌。大肠杆菌W31-10以前是通过用编码cAMP非依赖性crp变体的crp*突变体替换野生型crp基因来共同利用葡萄糖和木糖的。RezaKhankal[15]等研究了天然大肠杆菌木糖转运蛋白(d-木糖/质子转运蛋白XylE和d-木糖ABC转运蛋白XylFGH)和crp*在葡萄糖和木糖存在下对木糖醇生