1,2-Propanediol production from glycerol via an endogenous pathway of Klebsiella pneumoniae

磷酸二羟丙酮 二羟丙酮 甘油 1,3-丙二醇 甲基乙二醛 分解代谢抑制 生物化学 丙二醇 生物 达普 化学 有机化学 突变体 基因
作者
Shaoqi Sun,Lin Shu,Xiyang Lu,Qinghui Wang,Marina Tišma,Chenguang Zhu,Jiping Shi,Frank Baganz,Gary J. Lye,Jian Hao
出处
期刊:Applied Microbiology and Biotechnology [Springer Science+Business Media]
卷期号:105 (23): 9003-9016 被引量:22
标识
DOI:10.1007/s00253-021-11652-w
摘要

Klebsiella pneumoniae is an important microorganism and is used as a cell factory for many chemicals production. When glycerol was used as the carbon source, 1,3-propanediol was the main catabolite of this bacterium. K. pneumoniae ΔtpiA lost the activity of triosephosphate isomerase and prevented glycerol catabolism through the glycolysis pathway. But this strain still utilized glycerol, and 1,2-propanediol became the main catabolite. Key enzymes of 1,2-propanediol synthesis from glycerol were investigated in detail. dhaD and gldA encoded glycerol dehydrogenases were both responsible for the conversion of glycerol to dihydroxyacetone, but overexpression of the two enzymes resulted in a decrease of 1,2-propanediol production. There are two dihydroxyacetone kinases (I and II), but the dihydroxyacetone kinase I had no contribution to dihydroxyacetone phosphate formation. Dihydroxyacetone phosphate was converted to methylglyoxal, and methylglyoxal was then reduced to lactaldehyde or hydroxyacetone and further reduced to form 1,2-propanediol. Individual overexpression of mgsA, yqhD, and fucO resulted in increased production of 1,2-propanediol, but only the combined expression of mgsA and yqhD showed a positive effect on 1,2-propanediol production. The process parameters for 1,2-propanediol production by Kp ΔtpiA-mgsA-yqhD were optimized, with pH 7.0 and agitation rate of 350 rpm found to be optimal. In the fed-batch fermentation, 9.3 g/L of 1,2-propanediol was produced after 144 h of cultivation, and the substrate conversion ratio was 0.2 g/g. This study provides an efficient way of 1,2-propanediol production from glycerol via an endogenous pathway of K. pneumoniae.Key points• 1,2-Propanediol was synthesis from glycerol by a tpiA knocked out K. pneumoniae• Overexpression of mgsA, yqhD, or fucO promote 1,2-propanediol production• 9.3 g/L of 1,2-propanediol was produced in fed-batch fermentation.
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