[发明专利]通过重组微生物从一氧化碳产生丁醇

说明书

技术领域

本发明涉及通过微生物发酵产生生物燃料的方法及适于所述方法的遗传修饰的微生物。

背景技术

丁醇是一种具有广泛工业用途的重要的大宗化学品，其全球每年的产量是450-550万吨。其可被用作产生丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯（用于涂料、塑料、纺织品、粘合剂等）、乙二醇醚（涂料、电子设备）和乙酸丁酯（油漆（paints）、油墨、涂料、合成水果调味剂）以及丁胺（产生杀虫剂和药物）和氨基树脂的前体。其还可直接用作溶剂（用于油墨、染料等）、萃取剂（用于产生药物和天然物质例如生物碱、抗生素、激素和维生素），以及用于防冻液、化妆品和色谱分析中。

丁醇还有潜力作为第二代生物燃料，在本文中称作生物丁醇（&Dürre,2010）。其具有与汽油相似的性质，并且其性质优于乙醇。特别地，由于丁醇具有更高的能量密度其可提高行车里程，其可与汽油以任意浓度混合（而乙醇只能掺和最高达85%）并且不是吸湿性或腐蚀性的。

可用于运输的生物燃料是有吸引力的汽油替代品，并且作为低浓度掺和物迅速进入燃料市场。源自天然植物源的生物燃料比源自化石资源的燃料（例如汽油）在环境方面更加可持续，使用其可降低因燃料燃烧而释放到大气中的所谓化石二氧化碳（CO₂）气体的水平。此外，生物燃料可在许多地理条件下局部产生，并且其可减少对进口化石能源的依赖。

大多数生物燃料是通过传统的基于酵母的发酵过程使用源自作物的碳水化合物作为主要碳源产生的，其被称为第一代生物燃料。但是，这些作物需要被用作食物并且许多作物还需要肥料形式的高农业投入。这些限制意味着第一代生物燃料被认为是不可持续的，并且可实现的温室气体减少是有限的。第二代生物燃料的目标是可持续地使用当前作物的非食物部分或其他工业废物以减少温室气体排放并减少对化石燃料的依赖。

近来的1-丁醇生产主要是通过羰基合成（Weiβermel&Arpe,2003）。包括原油的石油化学品被裂解形成用于羰基合成过程中的丙烯。但是，所述合成过程需要使用不可再生资源，并且受制于价格昂贵和所形成产物的形成中的非特异性。

丁醇还可通过生物生产方法产生，最常见的是丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵，其从1913年起即已用于工业（&Dürre,2010）。该方法有不需要的副产物丙酮，通常会产生约为丁醇体积一半的丙酮，因而实质上降低了产率。此外，该发酵方法受限于丁醇对微生物的毒性，这导致在低至1.5%的丁醇浓度下所述微生物的生长几乎被完全抑制（and Dürre2010）。此外，ABE发酵使用来自玉米、淀粉、木薯和甘蔗的糖作为原料。这导致不合需要地使用耕地用于产生燃料而不是食物。其还可加重森林采伐和荒漠化相关的问题。

已知只有少数生物可天然地产生丁醇，并且其中没有生物可从丰富的资源（例如一氧化碳——CO）以高产率产生丁醇。已知可天然地从CO产生丁醇的两种生物是甲基营养丁酸杆菌（Butyribacterium methylotrophicum）（其仅合成痕量丁醇（Heiskanen et al,2007））和食一氧化碳梭菌（Clostridium carboxidivorans）（相对于主要发酵产物乙醇和乙酸，其产生低产率的1-丁醇作为副产物（Liou et al,2005））。

多种生物已被遗传修饰以产生1-丁醇，包括大肠杆菌（E.coli）、枯草杆菌（Bacillus subtilis）、酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）或者短乳杆菌（Lactobacillus brevis）。但是，所有这些生物仍然依赖于糖作为原料（&Dürre,2010）。尽管已知有超过250个梭菌种，但是只有少数是遗传上可用的。在梭菌中没有已知的天然感受态（从细胞环境中摄入细胞外DNA），电转化或接合是仅有的用于转化的方法。这些问题是有效转化梭菌种的显著困难。大多数梭菌具有一种或多种限制性/甲基化系统以抵御外源DNA和噬菌体DNA，这意味着转化尤其困难和不可预测。

本文所引用出版物的书目细节见本说明书末尾部分。

本发明的目标是克服现有技术的一种或多种缺陷，或者至少为公众提供已知技术的可用的替代。

发明内容