文 献 综 述

课题研究目的或工程应用价值

由于全球变暖、能源危机收到了全球公众广泛关注，从可再生资源中得到的”生物能源”越来越受到重视。在生物能源中，丁醇受到了重视，因为它作为乙醇之后新一代生物能源具有产生更多能量，腐蚀性小，水溶性小，更易与汽油或柴油混合的特点。^[1]

丁醇是一种重要的有机溶剂和精细化工原料，也是一种洁净的可再生能源，目前丁醇在美国市场已达到每年1300万t。^[3]由于丁醇的化学合成法的原料是以石油为基础的丙烯，随着石油价格的迅猛增长，石油化工生产丁醇成本也随之增长，因此生物发酵法生产丁醇受到广泛关注。目前，生物发酵法（ABE发酵法）生产丁醇主要通过梭菌属发酵产生，^[6]包括Clostridium acetobutylicum^[8]，Clostridium beijerincki^[4]，Clostridium pasteurianum，Clostridium saccharoperbutylacetonicum，Clostridium tetanomorphum^[5]，Clostridium saccharoacetobutylicum等。尽管对于ABE发酵过程的研究具有很长历史，但是今天障碍依然存在。因为梭菌是严格厌氧菌，其生长条件必须保持厌氧，生长速度与许多好氧微生物相比明显缓慢，造成了较低的丁醇生产效率。为了解决这个问题，需要利用生长速率快的好氧微生物，但是，没有发现产丁醇微生物的报道。丙酮丁醇梭菌ATCC842的基因组测序研究已在2001年完成^[7]，随着生物技术、代谢工程、基因工程技术的飞速发展，采用分子生物学手段，构建遗传稳定的基因工程菌生产丁醇成为研究的热点，除了对产丁醇梭菌进行遗传改造之外，还在其他微生物系统中重构丁醇代谢途径，如大肠杆菌、酵母、枯草芽孢杆菌等。^[2]本毕业设计利用粪味菌的基因组测序^[15]，将粪味菌的基因在杨氏菌种表达。

国内外研究现状、发展动态

1. 利用丙酮丁醇梭菌生产丁醇

丙酮丁醇梭菌是生产丁醇的天然菌株，其丁醇代谢途径已经得到了充分解析。^[10][11]通过糖酵解产生的丙酮酸，在丙酮酸铁氧化还原蛋白的作用下生成CO₂和乙酰辅酶A。2个乙酰辅酶A分子通过硫解酶聚合形成乙酰乙酰辅酶A，乙酰乙酰辅酶A经过还原、脱水、再还原三步催化之后生成丁酰辅酶A，然后在醇脱氢酶的作用下产生丁醇。这一丁醇生产途径称为梭菌丁醇途径。丙酮丁醇梭菌在产生丁醇的过程中也会产生一些副产物，主要包括乙酸、丁酸、乙醇和丙酮，并且会释放出H₂以及CO₂。

2. 利用大肠杆菌生产丁醇

大肠杆菌作为一种典型的模式菌株，其遗传背景、遗传改造工具和遗传改造过程相比于丙酮丁醇梭菌都更加清晰、更加丰富、更加容易。近些年来，利用大肠杆菌生产丁醇取得了巨大的进步。不仅丁醇产量和转化率达到了丙酮丁醇梭菌的水平，而且在代谢途径优化和设计方面也获得许多成功，为微生物生产丁醇提供了新的方向。

a) 优化的梭菌途径