Optimization of isopropanol production by engineered Escherichia coli

Abstract

Isopropanol produzierende E. coli wurden durch Implementierung einer 4-stufigen Enzymkaskade, basierend auf dem Biosyntheseweg in C. beijerinckii, konstruiert. Die Auswahl der Gene, des E. coli-Stamms und der Induktionstemperatur beeinflussten die aerobe Isopropanolsynthese. In 100 mLSchüttelkolbenexperimenten erzielte E. coli DH5α_1C bei 37 °C 4,4 g/L Isopropanol in 24 h. Der Prozess wurde im 10 L-Bioreaktormaßstab als Fed-Batch-Verfahren etabliert. Die Isopropanolkonzentration verringerte sich jedoch um den Faktor 5-10 im Vergleich zum Schüttelkolbenmaßstab, während Acetat das Hauptstoffwechselprodukt war. Gasstripping wurde zur in situ-Abtrennung/-Rückgewinnung von Isopropanol eingesetzt. Ein Buchenholzhydrolysat wurde erfolgreich als Kohlenstoffquelle im Bioreaktormaßstab, ohne nachteilige Auswirkungen auf Isopropanolproduktion und Zellwachstum, eingesetzt. Die selektive Isopropanolproduktion wurde durch Ausschalten eines Acetat-Synthesegens (Phosphotransacetylase) optimiert.

Isopropanol-producing E. coli strains were constructed by implementation of a 4-step enzymatic cascade, based on the biosynthesis pathway in C. beijerinckii. Choice of genes, E. coli strain and induction temperature influenced aerobic isopropanol synthesis. In 100 mL shake flask experiments, highest isopropanol concentration of 4.4 g/L in 24 h was achieved by E. coli DH5α_1C at 37 °C. Scaleup to 10 L bioreactor scale was established as a fed-batch process. But isopropanol concentration decreased by a factor of 5-10 compared to shake flask scale, while acetate was the major metabolic product. Gasstripping was employed for in situ isopropanol separation and recovery. A beech wood hydrolysate was successfully used as a feed carbon source in bioreactor scale without detrimental effects on isopropanol production and cell growth. Selective isopropanol production by recombinant E. coli was optimized by knockout of an acetate synthesis pathway gene (phosphotransacetylase).