Small Current but Highly Productive Synthesis of 1,3‐Propanediol from Glycerol by an Electrode‐Driven Metabolic Shift in Klebsiella pneumoniae L17

甘油 发酵 1,3-丙二醇 化学 生物转化 氧化还原 代谢工程 生物化学 无机化学
作者
Changman Kim,Jaehyeon Lee,Jiyun Baek,Da Seul Kong,Jeong‐Geol Na,Jinwon Lee,Eric Sundström,Sunghoon Park,Jung Rae Kim
出处
期刊:Chemsuschem [Wiley]
卷期号:13 (3): 564-573 被引量:30
标识
DOI:10.1002/cssc.201902928
摘要

Electrofermentation actively regulates the bacterial redox state, which is essential for bioconversion and has been highlighted as an effective method for further improvements of the productivity of either reduced or oxidized platform chemicals. 1,3-Propanediol (1,3-PDO) is an industrial value-added chemical that can be produced from glycerol fermentation. The bioconversion of 1,3-PDO from glycerol requires additional reducing energy under anoxic conditions. The cathode-based conversion of glycerol to 1,3-PDO with various electron shuttles (2-hydroxy-1,4-naphthoquinone, neutral red, and hydroquinone) using Klebsiella pneumoniae L17 was investigated. The externally poised potential of -0.9 V vs. Ag/AgCl to the cathode increased 1,3-PDO (35.5±3.1 mm) production if 100 μm neutral red was used compared with non-bioelectrochemical system fermentation (23.7±2.4 mm). Stoichiometric metabolic flux and transcriptional analysis indicated a shift in the carbon flux toward the glycerol reductive pathway. The homologous overexpression of glycerol dehydratase (DhaB) and 1,3-PDO oxidoreductase (DhaT) enzymes synergistically enhanced 1,3-PDO conversion (39.3±0.8 mm) under cathode-driven fermentation. Interestingly, a small current uptake (0.23 mmol of electrons) caused significant metabolic flux changes with a concomitant increase in 1,3-PDO production. This suggests that both an increase in 1,3-PDO production and regulation of the cellular metabolic pathway are feasible by electrode-driven control in cathodic electrofermentation.
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