近日，华南理工大学生物科学与工程学院王菊芳教授课题组在Chemical Engineering Journal杂志(IF=15.1)上发表了一篇题为“Efficient production of butyl butyrate from mannitol by engineered Clostridium tyrobutyricum”的研究论文。该论文报道了以酪丁酸梭菌为底盘细胞，利用甘露醇为碳源采用两阶段温度控制策略下高效生产丁酸丁酯的研究成果。博士研究生郭晓龙为该文第一作者，傅宏鑫副教授和王菊芳教授为共同通讯作者，华南理工大学生物科学与工程学院为第一单位。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150577。

丁酸丁酯，是一种C8短链脂肪酸酯，被广泛应用于食品、化妆品和生物燃料等领域。预计到2030年，丁酸丁酯市场将以5.5%的年复合增长率增长。目前，丁酸丁酯的生产依赖于石油炼制工业，随着石化资源的日益枯竭、传统能源消耗对环境污染的日渐加重以及大众对生物基化学品的偏爱，亟需开发优良菌种生产生物基丁酸丁酯。

 图1 强化EMP和丁酸丁酯合成途径以及弱化丁酸合成途径提升酪丁酸梭菌丁酸丁酯产量

 （A）酪丁酸梭菌中提高丁酸丁酯合成的遗传改造策略；（B）不同工程菌丁酸丁酯发酵结果；（C）MV4和MUV3中丁醇脱氢酶活性的比较；（D）cat1敲除对丁酸丁酯合成的影响。

微生物从头合成丁酸丁酯仍然存在产量低和转化率低的问题，因此，该研究在前期工作（Metab. Eng. 2023, 77: 64-75）的基础上，通过强化酪丁酸梭菌EPM途径和丁酸丁酯合成途径，同时弱化副产物丁酸合成途径，成功获得一株显著提高丁酸丁酯产量和得率的优良菌株MV12（C. tyrobutyricum/Δupp Δrease::Pctthl-adhE2 Δldh1::Pctthl-ctfAB Δldh2::Pctthl-adhE2 Δcat1），MV12的丁酸丁酯产量和得率与出发菌株（MUV3）相比分别提高了79%和45%（图1）。在此基础上，通过有机氮源浓度优化，进一步推动碳代谢流流向丁酸丁酯，使丁酸丁酯产量和得率分别提高了62%和46%。

最后，在5 L发酵罐中采用两阶段温度发酵策略进行补料分批发酵，即先用37℃使细胞生长至对数生长中后期，然后将发酵温度转换至25℃进行丁酸丁酯发酵。该策略能有效缩短延滞期，充分发挥高密度发酵优势，使丁酸丁酯产量和得率分别达到142.6 g/L和0.28 mol/mol，均为目前微生物从头合成丁酸丁酯的最高水平（图2）。该研究为促进石油基丁酸丁酯向生物基丁酸丁酯的转变以及推动传统大宗化学品和燃料生产模式的绿色转型奠定了基础。

 图2 MV12菌株在5 L发酵罐中两阶段温度控制（37℃→25℃），pH6.0条件下的补料分批发酵动力学

该研究得到了国家自然科学基金（22178133）、广东省自然科学基金（2023A1515030100）、中央高校基本科研业务费（2023ZYGXZR049）和广州市基础与应用基础研究（202102020281）等的资助。