[发明专利]产生有机酸的大肠杆菌菌株的代谢进化

说明书

相关申请的交互引用

本申请要求2009年11月18日提交的美国临时申请系列号61/281,483的优先权。

政府资助

本发明在美国政府资助下在美国能源部以授予号DE-EE0002878/001所授予的合同下产生。美国政府享有本发明中的某些权利。

背景技术

一份名为“来自生物量的增加高级价值的化学品”的2004年美国能源部报告已经确定了12种可以从可再生原料产生的结构单元化学品。这12种结构单元化学品是1，4-二酸(琥珀酸、延胡索酸和马来酸)、2，5-呋喃二羧酸、3-羟基丙酸、天冬氨酸、葡糖二酸、谷氨酸、衣康酸、乙酰丙酸、3-羟基丁内酯、甘油、山梨醇和木糖醇/阿拉伯糖醇。

结构单元化学品是带多个官能团的分子，它们拥有被转化成有用分子新家族的潜力。这12种结构单元可以随后转换成许多高价值的基于生物的化学品或材料。

许多源自生物发酵过程的天然代谢物(如二羧酸、氨基酸和二醇)具有适于聚合物聚合和化学合成的官能团。近年来，已经通过遗传操作显著地提高了微生物产生适于工业用途的单体化学化合物的效率。然而，通过生物发酵过程产生工业化学品的成本仍是非常高的。目前用于产生工业化学品的生物发酵过程使用纯化的糖如葡萄糖和玉米淀粉作为碳源并且因而增加了用于产生工业化学品的发酵过程的成本。

可以通过使用木素纤维素生物量作为发酵过程中的碳源，大幅度降低用于产生工业化学品的发酵过程的成本。木素纤维素生物量可以从许多来源获得，这包括农业残留物、食品加工废弃物、木材和来自造纸和纸浆工业的废弃物。生物量由大约40-50％己糖(具有6个碳原子的糖)和10-30％戊糖(具有5个碳原子的糖)组成。己糖在本领域中称作C6糖。戊糖在本领域中称作C5糖。当水解时，木素纤维素的材料产生包含葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖的糖混合物。然而，已经以纯葡萄糖作为生长和代谢的碳源时开发了许多用于产生工业化学品的发酵方法。例如，美国专利号7,223,567中所述的大肠杆菌菌株使用补充有葡萄糖作为碳源的丰富培养基。由Jantama等人(2008a；2008b)描述并且在公开的PCT专利申请号WO/2008/021141A2和WO2010/115067A2中公开的用于产生琥珀酸的大肠杆菌菌株KJ122可以在基本培养基上生长，但是仍需要葡萄糖或另一种糖作为碳源。如果可以在源自木素纤维素水解的糖混合物中培育能够以高效率产生工业化学品的这些生物，这将是理想的。本发明人已经发现了使得已经优化以产生特定工业化学品的微生物能够利用源自木素纤维素原料水解的C5糖和C6糖混合物的方法。

微生物同时利用多种糖的能力受某些生物化学调节系统的存在限制。微生物细胞内部的这些生物化学调节系统具有遗传基础。已经进行了通过遗传操作克服这些调节物系统的努力。

在许多情况下，工业微生物在含有葡萄糖或蔗糖作为碳源的培养基中生长。葡萄糖在生长培养基中的存在抑制了其他糖在大肠杆菌(E.coli)和其他工业微生物物种中的利用。仅在生长培养基中的葡萄糖已经充分耗尽后，这些微生物才开始消费其他糖如木糖(一种戊糖)。与工业微生物中碳利用相关的这种现象称作分解代谢物阻遏或双峰生长。在以商业规模生产工业化学品期间，通过减轻分解代谢物阻遏而使微生物共利用(co-utilize)不同糖如C5糖和C6糖的方法对降低由发酵产生的工业化学品的成本将是关键性的。

微生物通过一套位于细胞质膜中的转运蛋白摄取糖。微生物糖转运蛋白分属三个主要类型。细菌中的最大一组糖转运蛋白称作ATP结合盒(ABC)转运蛋白。如名称所暗示的那样，ABC转运蛋白需要1分子ATP分子用于转运每个糖分子至细菌细胞中。XylFGH是用于转运木糖(一种戊糖)至细胞中的ABC转运蛋白。AraFGH是用于转运阿拉伯糖(另一种戊糖)的ABC转运蛋白。