Corynebacterium glutamicumにおけるキシロースからキシロン酸へのバイオ変換遺伝子の異種発現とバイオプロセスの最適化

Heterologous expression of genes for bioconversion of xylose to xylonic acid in Corynebacterium glutamicum and optimization of the bioprocess.

• M S Lekshmi Sundar
• Aliyath Susmitha
• Devi Rajan
• Silvin Hannibal
• Keerthi Sasikumar
• Volker F Wendisch
• K Madhavan Nampoothiri

抄録

細菌系では、キシロースからキシロン酸への直接変換は、NAD依存性キシロース脱水素酵素（xylB）およびキシロノラクトナーゼ（xylC）遺伝子を介して媒介される。Caulobacter crescentusからのこれらの遺伝子の組換えCorynebacterium glutamicum ATCC 13032およびC. glutamicum ATCC 31831（生得的なペントーストランスポーター、araEを有する）への異種発現は、キシロースからキシロン酸を生産するための効率的なバイオコンバージョンプロセスをもたらした。生産培地の設計を含むプロセスパラメータは、統計的ツールである応答曲面法（RSM）を用いて最適化された。60g/Lのキシロースから最大56.32g/Lのキシロン酸、すなわち最大理論収率の約76.67%が、プラスミドpVWWEx1 xylBを含む組換えC. glutamicum ATCC 31831を用いて純粋なキシロースから120時間発酵させた後に得られた。同じ条件で、組換えC. glutamicum ATCC 13032（プラスミドpVWWEx1 xylBを含む）を用いた場合の生産量は50.66g/L、すなわち理論収量の69%であった。その結果、キシロース脱水素酵素活性がバイオコンバージョンの速度制限因子の一つであることが示唆された。最後に、バイオマス由来のペントース糖であるキシロースをキシロン酸生産に利用した概念実証実験を行い、60g/Lのキシロースから42.94g/Lのキシロン酸を得ることができた。これらの結果は、今後のバイオ精製プログラムに大きな付加価値をもたらすことが期待される。

In bacterial system, direct conversion of xylose to xylonic acid is mediated through NAD-dependent xylose dehydrogenase (xylB) and xylonolactonase (xylC) genes. Heterologous expression of these genes from Caulobacter crescentus into recombinant Corynebacterium glutamicum ATCC 13032 and C. glutamicum ATCC 31831 (with an innate pentose transporter, araE) resulted in an efficient bioconversion process to produce xylonic acid from xylose. Process parameters including the design of production medium was optimized using a statistical tool, Response Surface Methodology (RSM). Maximum xylonic acid of 56.32 g/L from 60 g/L xylose, i.e. about 76.67% of the maximum theoretical yield was obtained after 120 h fermentation from pure xylose with recombinant C. glutamicum ATCC 31831 containing the plasmid pVWEx1 xylB. Under the same condition, the production with recombinant C. glutamicum ATCC 13032 (with pVWEx1 xylB) was 50.66 g/L, i.e. 69% of the theoretical yield. There was no significant improvement in production with the simultaneous expression of xylB and xylC genes together indicating xylose dehydrogenase activity as one of the rate limiting factor in the bioconversion. Finally, proof of concept experiment in utilizing biomass derived pentose sugar, xylose, for xylonic acid production was also carried out and obtained 42.94 g/L xylonic acid from 60 g/L xylose. These results promise a significant value addition for the future bio refinery programs.