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光学的に純粋なL-乳酸およびD-乳酸の新規生産者としての代謝工学的に設計されたLactobacillus gasseri JCM 1131
Metabolically engineered Lactobacillus gasseri JCM 1131 as a novel producer of optically pure L- and D-lactate.
PMID: 32656603 DOI: 10.1007/s11274-020-02887-2.
抄録
ポリ-L-乳酸とポリ-D-乳酸を混合することにより、高品質で環境に優しいバイオプラスチックを製造することができます。工業規模では、このプロセスでは、光学的に純粋な乳酸立体異性体の両方を同時に大量に消費します。しかし、L-乳酸生産者の最適な成長条件はD-乳酸生産者のそれとは異なることが多いため、各立体異性体は特殊な施設で生産され、コストが上昇し、持続可能性が低くなっています。この課題に対処するために、我々は、同じバイオプロセス条件で純粋な L-乳酸または純粋な D-乳酸のいずれかを効率的に生産するために、バイオプロセスに適した遺伝的に可鍛性のあるホモ発酵性乳酸菌の菌株である Lactobacillus gasseri JCM 1131 を代謝的に操作しました。L-またはD-乳酸脱水素酵素の追加遺伝子を持つプラスミドでL. gasseriを形質転換しても、生産される立体異性体の比率には影響を与えなかったが、内因性遺伝子を不活化した場合、グルコース1グラムあたり0.96グラムのL-またはD-乳酸のいずれかを生産する菌株が得られた。本研究では、Bacillus megateriumの遺伝子破壊に日常的に使用されているプラスミドpHBintEを用いて、初めて乳酸菌の遺伝子を不活化した。内在性乳酸脱水素酵素の遺伝子を失活させた株は、リグノセルロースを豊富に含む原料であるアルカリ前処理小麦ワラの酵素加水分解により放出される糖を効率的に発酵させ、アルカリ処理小麦ワラ固形分1gあたり0.37～0.42gの乳酸を産生した。このように、構築された菌株は、次世代のバイオ・リファイナリーにおいて、光学的に純粋なL-乳酸とD-乳酸の両方の生産者としての役割を果たすための準備をしています。
High-quality environmentally-friendly bioplastics can be produced by mixing poly-L-lactate with poly-D-lactate. On an industrial scale, this process simultaneously consumes large amounts of both optically pure lactate stereoisomers. However, because optimal growth conditions of L-lactate producers often differ from those of D-lactate producers, each stereoisomer is produced in a specialised facility, which raises cost and lowers sustainability. To address this challenge, we metabolically engineered Lactobacillus gasseri JCM 1131, a bioprocess-friendly and genetically malleable strain of homofermentative lactic acid bacterium, to efficiently produce either pure L- or pure D-lactate under the same bioprocess conditions. Transformation of L. gasseri with plasmids carrying additional genes for L- or D-lactate dehydrogenases failed to affect the ratio of produced stereoisomers, but inactivation of the endogenous genes created strains which yielded 0.96 g of either L- or D-lactate per gram of glucose. In this study, the plasmid pHBintE, routinely used for gene disruption in Bacillus megaterium, was used for the first time to inactivate genes in lactobacilli. Strains with inactivated genes for endogenous lactate dehydrogenases efficiently fermented sugars released by enzymatic hydrolysis of alkali pre-treated wheat straw, an abundant lignocellulose-containing raw material, producing 0.37-0.42 g of lactate per gram of solid part of alkali-treated wheat straw. Thus, the constructed strains are primed to serve as producers of both optically pure L-lactate and D-lactate in the next-generation biorefineries.