[发明专利]分别可生产丁酸和正丁醇的菌株、及生成正丁醇的方法

说明书

本发明至少提供了一种可生产丁酸的菌株及一种可生产正丁醇的菌株。另外，本发明还提供一种通过将上述菌株培养于含乙酸及葡萄糖的培养液中来由丁酸生成正丁醇的方法。

技术领域

本发明关于一种利用代谢工程构建的菌株，且特别关于一种利用此技术构建而成并可生产丁酸的菌株、与生产正丁醇的菌株。

背景技术

丁酸为一种短链脂肪酸并可用于多种不同用途。举例而言，丁酸的衍生物丁酸酯(butyrate ester)可为饮料、食品或化妆品的调味剂(参阅Armstronga andYamazakib1986、Dwidar et al.2012)。另举例而言，丁酸与纤维素组成的聚合物可用来制造塑料或纺织纤维(参阅Cao et al.2011、El-Shafee et al.2001)。更举例而言，丁酸具备抗癌疗效(参阅Rephaeli et al.2000)。此外，由于丁酸为正丁醇等生物燃料的前驱物，故其商业价值相当可观。已有文献提出触媒转化丁酸成正丁醇的方法，如微生物的生物转化、或化学催化剂涉及的氢化反应(参阅Dwidar et al.2012、Kim et al.2011)。

丁酸目前在商业上的制造为采用原油为原料的化学合成(参阅Cascone2008)。然而，由于对全球暖化的关切与自然产物的需求已迫使产业重视丁酸的发酵制造。梭菌属(Clostridium)为一种格兰氏阳性并产孢子的绝对厌氧菌。由于梭菌属具高丁酸产率与产效，长久以来一直研究此菌的丁酸生成(参阅Zhang et al.2009)。不过，梭菌属的发酵相当繁琐，故须相当注意影响丁酸生成的原因(参阅Dwidar et al.2012)。梭菌属的典型发酵按顺序有产酸(acidogenesis)阶段与产溶剂(solventogenesis)阶段。在第一阶段，丁酸、乙酸及氢为主要产物。接着，所产生的酸在第二阶段中的再吸收将生成丙酮、正丁醇与乙醇，这即为所谓的“ABE发酵(ABE fermentation)”(参阅Jones and Woods1986)。另外，梭菌属的基因工具的缺乏与对其生理信息的了解的不足也妨碍利用此菌生产丁酸的发展。

近年来，正丁醇已逐渐受到国内、外大厂的重视，此主要原因在于正丁醇具有高能源密度与接近汽油的性质，且正丁醇还可产生较乙醇多的能量并具有低腐蚀性。于是，无须更换现有的汽油输送管线及储存设备，便能将汽油替换为正丁醇，且正丁醇的运送亦无安全疑虑。另外，正丁醇本身即可作为液态燃料。举例而言，85％正丁醇与汽油的混合物可直接用于现有的汽油引擎，且燃烧后，仅排放二氧化碳，不会产生SO_X、NO_X与一氧化碳等有毒气体。倘若正丁醇的来源为生物质，则其燃烧便可完成自然界的二氧化碳循环，因此正丁醇亦可视为环境友好的绿色能源(参阅Duerre2007)。正丁醇的传统制造为微生物的发酵。在公元1916年，人类便知道利用丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)生产丙酮、正丁醇及乙醇，此为ABE发酵(参阅Lee et al.2008)。在发酵过程中，先生产丁酸、丙酸、乙酸与乳酸，当发酵液的pH值下降时，则会转入所谓蝴蝶(butterfly)代谢途径，以产生丙酮、正丁醇及乙醇(参阅Jones and Woods1986)。由此可知，各界均重视如何从生物质来制得正丁醇。可想而知的是：生物质的利用将能大幅降低石化燃料造成的温室效应。

大肠杆菌(Escherichia coli，E.coli)易培养，且易进行基因操作，因而已广泛用作生物材料。另一个方面，大肠杆菌的生理信息与发酵技术均已详载于许多工具书。许多研究也已提出利用大肠杆菌制造生物质燃料与高价值的化学物质(参阅Clomburg andGonzalez2010、Yu et al.2011)。为达成有效生产丁酸与正丁醇的目标，大肠杆菌的代谢工程显然为一个可行的策略。