通讯作者：Jufang Wang
发表杂志：metabolic Engineering
发表时间：2023.03
DOI: doi.org/10.1016/j.ymben.2023.03.009
研究背景：
挥发性酯广泛存在于天然资源中，特别是在水果和花卉中。短链脂肪酸酯(SCFAEs)是一类酯类化合物，广泛应用于食品、化妆品、溶剂和生物燃料。尤其是C8酯类化合物-丁酸丁酯，近年来因其诸多优点而备受关注。例如，由于菠萝和香蕉等特殊气味，丁酸丁酯已被用作食品添加剂来增强味道。由于其与燃料的良好相容性，丁酸丁酯也是一种优秀的燃料添加剂，甚至是替代航空燃料。丁酸丁酯在食品、化妆品、溶剂和生物燃料等方面有着广泛的应用。
传统的丁酸丁酯合成方法是由丁酸和丁醇缩合而成，由于其条件恶劣(需要相对较高的温度和可怕的浓硫酸)和产生有害的副产物而不环保。目前，更环保、更经济、更高效的方法是微生物在体内通过乙醇酰基转移酶(AAT)浓缩丁基辅酶A和丁醇，直接一步发酵，而不需要提供任何前体和酶。大肠杆菌是化学品生产中最受欢迎的菌株之一，它被用于合成包括丁酸丁酯的酯类，但是产率较低，酪丁酸梭菌ATCC 25755有望成为高产丁酸丁酯的宿主。
研究内容：
本研究对酪丁酸梭菌ATCC 25755进行代谢工程改造，以实现发酵过程中丁酸丁酯的从头重新合成。野生型酪丁酸梭菌ATCC 25755可以利用葡萄糖和甘露醇为原料通过自身的代谢通路合成丁酸丁酯（图1）。本研究通过引入丁醇合成途径(AdhE2酶)，筛选醇酰基转移酶(AATs)，调节VAAT和AdhE2的转录(优化启动子)，过表达ctfAB高效供应丁基辅酶A，获得了一株优良的工程菌株MUV3，该菌株能在25◦C条件下用血清瓶中的葡萄糖生产4.58 g/L的丁酸丁酯。
图1 酪丁酸梭菌中丁酸丁酯的从头合成途径
另外，合成丁酸丁酯需要更多的NADH，因此采用甘露醇(还原程度较高的底物)来生产丁酸丁酯。最终，在甘露醇条件下，在5L罐中分批补料发酵，获得了62.59 g/L的丁酸丁酯，选择性为95.97%，产率为0.21 mol/mol，这是目前报道的最高丁酸丁酯产量。
此外，在C. tyrobutyricum中构建了一种快速无质粒菌株筛选和迭代基因组编辑的有效方法。
综上所述，本研究建立了一个一步法生物合成丁酸丁酯的厌氧发酵平台，为可再生生物质原料生物合成丁酸丁酯奠定了基础。
