Corn stover (CS) is evaluated as the most favorable candidate feedstock for butanol production via microbial acetone–butanol–ethanol (ABE) fermentation by Clostridium acetobutylicum. By independent acid pretreatment and enzymatic hydrolysis, fermentable sugars (mainly glucose and xylose) were released, of which glucose was naturally utilized as the most preferred carbon source by C. acetobutylicum. However, the ABE fermentation using corn stover hydrolysate (CSH) without detoxification is typically limited to poor sugars utilization, butanol production and productivity. In the presence of pretreatment-derived inhibitors, the intracellular ATP and NADH, as important factors involved in cell growth, solventogenesis initiation and stress response, are exceedingly challenged owing to disrupted glucose phosphotransferase system (PTS). Therefore, there is a necessity to develop effective engineering approaches to overcome these limitations for high-efficient butanol production from CSH without detoxification. PTS-engineered C. acetobutylicum strains were constructed via overexpression and knockout of gene glcG encoding glucose-specific PTS IICBA, which pleiotropically regulated glucose utilization, cell growth, solventogenesis and inhibitors tolerance. The PTSGlcG-overexpressing strain exhibited high fermentation efficiency, wherein butanol production and productivity was 11.1 g/L and 0.31 g/L/h, compared to those of 11.0 g/L and 0.15 g/L/h with the PTSGlcG-deficient strain. During CSH culture without detoxification, the PTSGlcG-overexpressing strain exhibited desirable inhibitors tolerance and solventogenesis with butanol production of 10.0 g/L, increased by 300% and 400% compared to those of 2.5 and 2.0 g/L with the control and PTSGlcG-deficient strains, respectively. As a result of extra glucose and 10 g/L CaCO3 addition into CSH, butanol production and productivity were further maximized to 12.5 g/L and 0.39 g/L/h. These validated improvements on the PTSGlcG-overexpressing strain were ascribed to not only efficient glucose transport but also its cascading effects on intracellular ATP and NADH generation, solventogenesis initiation and inhibitors tolerance at the exponential growth phase. The PTSGluG regulation could be an effective engineering approach for high-efficient ABE fermentation from lignocellulosic hydrolysates without detoxification or wastewater generation, providing fundamental information for economically sustainable butanol production with high productivity.

中文翻译：

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多效调控丙酮丁醇梭菌中葡萄糖特异性 PTS 用于玉米秸秆高效无毒生产丁醇

玉米秸秆 (CS) 被评估为通过丙酮丁醇梭菌微生物丙酮-丁醇-乙醇 (ABE) 发酵生产丁醇的最有利候选原料。通过独立的酸预处理和酶水解，释放出可发酵的糖类（主要是葡萄糖和木糖），其中葡萄糖自然地被丙酮丁醇梭菌作为最优选的碳源利用。然而，使用玉米秸秆水解产物 (CSH) 的 ABE 发酵没有解毒通常受限于糖的利用率低、丁醇生产和生产力低下。在预处理衍生的抑制剂存在下，细胞内 ATP 和 NADH 作为参与细胞生长、溶剂生成起始和应激反应的重要因素，由于葡萄糖磷酸转移酶系统 (PTS) 的破坏而受到极大的挑战。所以，有必要开发有效的工程方法来克服这些限制，从 CSH 高效生产丁醇而无需解毒。PTS 工程改造的丙酮丁醇梭菌菌株是通过过表达和敲除编码葡萄糖特异性 PTS IICBA 的基因 glcG 构建的，该基因多效调节葡萄糖利用、细胞生长、溶剂生成和抑制剂耐受性。PTSGlcG过表达菌株的发酵效率高，丁醇产量和产率分别为11.1 g/L和0.31 g/L/h，而PTSGlcG缺陷菌株为11.0 g/L和0.15 g/L/h。在没有解毒的 CSH 培养过程中，过表达 PTSGlcG 的菌株表现出理想的抑制剂耐受性和溶剂生成，丁醇产量为 10.0 g/L，与对照和 PTSGlcG 缺陷菌株的 2.5 和 2.0 g/L 相比，分别增加了 300% 和 400%。由于在 CSH 中添加了额外的葡萄糖和 10 g/L CaCO3，丁醇产量和生产率进一步提高到 12.5 g/L 和 0.39 g/L/h。这些经过验证的对 PTSGlcG 过表达菌株的改进不仅归因于有效的葡萄糖转运，而且归因于其在指数生长期对细胞内 ATP 和 NADH 生成、溶剂生成起始和抑制剂耐受性的级联效应。PTSGluG 法规可能是一种有效的工程方法，用于从木质纤维素水解物进行高效 ABE 发酵，无需解毒或产生废水，为经济上可持续的高生产率丁醇生产提供基本信息。对于对照和 PTSGlcG 缺陷菌株，分别为 5 和 2.0 g/L。由于在 CSH 中添加了额外的葡萄糖和 10 g/L CaCO3，丁醇产量和生产率进一步提高到 12.5 g/L 和 0.39 g/L/h。这些经过验证的对 PTSGlcG 过表达菌株的改进不仅归因于有效的葡萄糖转运，而且归因于其在指数生长期对细胞内 ATP 和 NADH 生成、溶剂生成起始和抑制剂耐受性的级联效应。PTSGluG 法规可能是一种有效的工程方法，用于从木质纤维素水解物进行高效 ABE 发酵，无需解毒或产生废水，为经济上可持续的高生产率丁醇生产提供基本信息。对于对照和 PTSGlcG 缺陷菌株，分别为 5 和 2.0 g/L。由于在 CSH 中添加了额外的葡萄糖和 10 g/L CaCO3，丁醇产量和生产率进一步提高到 12.5 g/L 和 0.39 g/L/h。这些经过验证的对 PTSGlcG 过表达菌株的改进不仅归因于有效的葡萄糖转运，而且归因于其在指数生长期对细胞内 ATP 和 NADH 生成、溶剂生成起始和抑制剂耐受性的级联效应。PTSGluG 法规可能是一种有效的工程方法，用于从木质纤维素水解物进行高效 ABE 发酵，无需解毒或产生废水，为经济上可持续的高生产率丁醇生产提供基本信息。分别。由于在 CSH 中添加了额外的葡萄糖和 10 g/L CaCO3，丁醇产量和生产率进一步提高到 12.5 g/L 和 0.39 g/L/h。这些经过验证的对 PTSGlcG 过表达菌株的改进不仅归因于有效的葡萄糖转运，而且归因于其在指数生长期对细胞内 ATP 和 NADH 生成、溶剂生成起始和抑制剂耐受性的级联效应。PTSGluG 法规可能是一种有效的工程方法，用于从木质纤维素水解物进行高效 ABE 发酵，无需解毒或产生废水，为经济可持续的高生产率丁醇生产提供基本信息。分别。由于在 CSH 中添加了额外的葡萄糖和 10 g/L CaCO3，丁醇产量和生产率进一步提高到 12.5 g/L 和 0.39 g/L/h。这些经过验证的对 PTSGlcG 过表达菌株的改进不仅归因于有效的葡萄糖转运，而且归因于其在指数生长期对细胞内 ATP 和 NADH 生成、溶剂生成起始和抑制剂耐受性的级联效应。PTSGluG 法规可能是一种有效的工程方法，用于从木质纤维素水解物进行高效 ABE 发酵，无需解毒或产生废水，为经济上可持续的高生产率丁醇生产提供基本信息。丁醇产量和生产率进一步提高到 12.5 g/L 和 0.39 g/L/h。这些经过验证的对 PTSGlcG 过表达菌株的改进不仅归因于有效的葡萄糖转运，而且归因于其在指数生长期对细胞内 ATP 和 NADH 生成、溶剂生成起始和抑制剂耐受性的级联效应。PTSGluG 法规可能是一种有效的工程方法，用于从木质纤维素水解物进行高效 ABE 发酵，无需解毒或产生废水，为经济可持续的高生产率丁醇生产提供基本信息。丁醇产量和生产率进一步提高到 12.5 g/L 和 0.39 g/L/h。这些经过验证的对 PTSGlcG 过表达菌株的改进不仅归因于有效的葡萄糖转运，而且归因于其在指数生长期对细胞内 ATP 和 NADH 生成、溶剂生成起始和抑制剂耐受性的级联效应。PTSGluG 法规可能是一种有效的工程方法，用于从木质纤维素水解物进行高效 ABE 发酵，无需解毒或产生废水，为经济可持续的高生产率丁醇生产提供基本信息。这些经过验证的对 PTSGlcG 过表达菌株的改进不仅归因于有效的葡萄糖转运，而且归因于其在指数生长期对细胞内 ATP 和 NADH 生成、溶剂生成起始和抑制剂耐受性的级联效应。PTSGluG 法规可能是一种有效的工程方法，用于从木质纤维素水解物进行高效 ABE 发酵，无需解毒或产生废水，为经济可持续的高生产率丁醇生产提供基本信息。这些经过验证的对 PTSGlcG 过表达菌株的改进不仅归因于有效的葡萄糖转运，而且归因于其在指数生长期对细胞内 ATP 和 NADH 生成、溶剂生成起始和抑制剂耐受性的级联效应。PTSGluG 法规可能是一种有效的工程方法，用于从木质纤维素水解物进行高效 ABE 发酵，无需解毒或产生废水，为经济可持续的高生产率丁醇生产提供基本信息。