基因工程: 以谷氨酸棒桿菌(Corynebacterium glutamicum)生產大量的靛藍染料

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傳統的紡織工業使用了許多有毒化學物質如如苯、喹啉、甲醛和二噁英(類戴奧辛物質)等造成嚴重水汙染,天然的靛藍染劑是由木藍(Indigofera tinctoria)萃取,而目前的靛藍染劑是從有毒化合物苯胺為原料經N-苯基甘氨酸和3-吲哚酚生產靛藍。

南韓科學技術院的化學和生物分子工程系李相燁(Sang Yup Lee)等研究團隊在2021年ACS Sustainable Chemistry & Engineering期刊發表了以薰衣草鏈黴菌(Streptomyces lavendulae)的靛藍合成酶 ( bpsA ) 基因轉殖到谷氨酸棒桿菌(Corynebacterium glutamicum)表達。基礎菌株可從燒瓶中產生 7.3 ± 0.3 g/L靛藍,經過一連串的基因修飾:

1.提高靛藍色素原料 l -谷氨酰胺和l -谷氨酸的細胞內供應。

2.通過提高非PTS依賴型葡萄糖攝取代謝,增加肌醇通透酶(iolT1和iolT2)和葡萄糖激酶(ppgk)的過度表達提高產能。

3. 優化PEP-丙酮酸-草酰乙酸的節點,過度表達磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PPC)提高產能。

4.去除多餘的副產物,TCA循環產生的3.06 ± 0.4 g/L 的檸檬酸鹽和異檸檬酸鹽。BIRU11 菌株中過表達的icd基因可能簡化了 TCA 循環中的通量,從而恢復了細胞生長,成功解除了TCA循環中的瓶頸反應。

最終菌株 BIRU11能以分批補料發酵的方式產生 49.30 g/L 靛藍,生產率為 0.96 g/L/h,有目前最好的生產效率。

圖1. 以細菌基因工程生產靛藍染劑的過程。

圖2. 高產量的BIRU11 菌株具備代替化學靛藍染劑的應用潛力。

結論

研究團隊以 BIRU11 菌株發酵的靛藍用於染色白色棉織物,以檢查其顏色和性能。這項研究證明了通過使用代謝工程細菌以可持續的方式生產織物染料的潛力。

High-Level Production of the Natural Blue Pigment Indigoidine from Metabolically Engineered Corynebacterium glutamicum for Sustainable Fabric Dyes

參考文獻

Ghiffary, M. R., Prabowo, C. P. S., Sharma, K., Yan, Y., Lee, S. Y., & Kim, H. U. (2021). High-Level Production of the Natural Blue Pigment Indigoidine from Metabolically Engineered Corynebacterium glutamicum for Sustainable Fabric Dyes. ACS Sustainable Chemistry & Engineering9(19), 6613-6622.

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