[发明专利]固定CO2和CO的重组梭菌及其应用

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请要求2010年9月10日提交的美国临时申请第61/381,701号的权益，上述临时申请的内容通过引用以其整体结合至本文中用于所有目的。

美国政府资助的引用

本工作获得了美国能源部(DOE)高级研究计划署能源领域（ARPA-E）的拨款支持（资助号5710002809）。美国政府享有本发明的某些权益。

发明领域

本发明主要涉及表达一个或多个功能性Wood-Ljungdahl（WL）途径所需的异源基因的重组梭菌（Clostridium），及其在生产所需代谢物上的应用。

发明背景

非光合作用微生物对于二氧化碳（CO₂）的生物学固定在自CO₂生产实用产品（例如，化学品和生物燃料）（这还需要电子源，如H₂）上具有广阔前景。在非光合作用的碳固定途径中，Wood-Ljungdahl (WL)途径最为重要，因为其是已知固定碳的唯一线性途径。这尤其重要，因为只要存在诸如H₂等电子源，CO₂就可充当唯一碳源。WL途径被厌氧生物使用，大多数所述生物属于梭菌纲，由于它们通过固定CO₂和H₂生产乙酸(acetate)，被广泛称为产乙酸菌。地球上每年生产的1000亿美吨乙酸中，大约10%是由这些生物生产的。因此，它们在地球上每年固定数十亿吨的CO₂并生产100亿吨的乙酸。梭菌是革兰氏阳性、严格厌氧的内生孢子菌，大多数是土壤生物，并且属于厚壁菌门（Firmicutes）。梭菌纲包括许多科、属（包括梭菌属和穆尔氏菌属(Moorella)），并且由数百的已知种构成。

WL途径发现于超过100个厌氧菌种中，许多所述种属于梭菌纲。它们中最广为人知的是产乙酸梭菌，例如醋酸梭菌(Clostridium aceticum)、艰难梭菌(Clostridium difficile)、杨氏梭菌(C. ljungdahli)和热醋穆尔氏菌(Moorella. Thermoacetica)（旧称热乳梭菌(Clostridium thermoaceticum)）以及伍氏醋酸杆菌(Acetobacterium woodii)。除了对这些生物的强烈的医学兴趣之外，具有或不具有天然的WL途径的梭菌已是选择用于生物学生产溶剂和丁醇的生物。例如，丙酮丁醇梭菌(C. acetobutylicum)，尽管不具有完备和功能性的WL途径，但是是因其生产商用化学品（例如，丁酸(butyrate)、乙酸、乙偶姻和丙酮）和生物燃料（例如，丁醇和乙醇）的能力而在工业上被人熟知的革兰氏阳性专性厌氧菌。

仍存在这样需求：改造不具有功能性WL途径的梭菌和其它厌氧菌，以改进它们以CO₂作为碳源的代谢用于生产实用的化学品和生物燃料。

发明概述

本发明涉及表达一个或多个异源Wood-Ljungdahl（WL）基因的重组梭菌。所述重组梭菌在增高的水平上生产所需的代谢物。

根据本发明的一个方面，提供了表达一个或多个源自供体梭菌的异源Wood-Ljungdahl（WL）基因的重组梭菌。所述重组梭菌源自受体梭菌。所述受体梭菌不具有功能性WL途径，而该受体梭菌具有功能性WL途径。所述重组梭菌可以具有功能性WL途径。至少一个所述一个或多个异源Wood-Ljungdahl途径基因可以被整合到所述重组梭菌的基因组中。

所述重组梭菌与所述受体梭菌相比可在增高的水平上生产代谢物。所述代谢物可以是化学品、生物燃料、或生物燃料前体。所述化学品可以选自由羧酸、异丙醇、丁二醇、乙偶姻和丙二醇组成的组。所述羧酸可以是丁酸或乙酸。所述生物燃料可以选自由乙醇、正丁醇、异丁醇和2-丁醇组成的组。