异戊二烯合成酶级联反应器的构建及其性能研究.pdfVIP

异戊二烯合成酶级联反应器的构建

及其性能研究

摘要

异戊二烯是一种重要的橡胶原料，其可以利用大肠杆菌表达甲羟戊酸(MVA)

途径进行发酵合成。这种方法的优点包括低成本和绿色环保等。然而中间体的过

度积累会导致异戊二烯的产量和细胞生长受到影响，使异戊二烯的产量偏低。因

此，在发酵过程中添加多酶级联反应器以对发酵进行外场强化的方法可以有效提

高异戊二烯生物合成效率，是解决当前发酵法合成异戊二烯存在的中间体的过度

积累和异戊二烯产量低等问题的一种理想途径。

甲羟戊酸(MVA)下游途径有五种关键酶，包括甲羟戊酸激酶(MVK)、磷酸甲

羟戊酸激酶(PMK)、二磷酸甲羟戊酸脱羧酶(MVD)、异戊烯基二磷酸异质酶(IDI)

和异戊二烯合成酶(ISPS)。本研究首先利用ZSM-5分子筛直接构建多酶级联反应

器(酶浓度比为1:1:1:2:16)得到ZSM-5@MVK-PMK-MVD-IDI-ISPS，可利用其进

行体外催化产异戊二烯。在最适催化条件下，ZSM-5多酶级联反应器体外催化合

成异戊二烯的产量达到405mg/L，而游离酶的体外催化合成异戊二烯的产量仅有

196mg/L，异戊二烯的产量明显提高。当将上述多酶级联反应器应用于大肠杆菌

PT-P发酵合成异戊二烯的过程中时，异戊二烯的产量为162mg/L相对于PT-P单

独发酵，甲羟戊酸的转化率为42.31%。此外多酶级联反应器表现出良好的的储存

稳定性和可重复利用性。

本研究还对ZSM-5分子筛进行了金属离子(Al、Fe、Zr、Mg、Ca、K)改性，

得到了ZSM-5-M(Al、Fe、Zr、Mg、Ca、K)载体，利用其构建多酶级联反应器得

到ZSM-5-M@MVK-PMK-MVD-IDI-ISPS，通过探究其体外催化效果可知经Mg2+

改性得到的ZSM-5-Mg多酶级联反应器催化效果最好，在最佳催化条件下，异戊

二烯产量可达495mg/L。后通过将其加入到MVA代谢发酵菌大肠杆菌(PT-P)发

酵生产异戊二烯过程中的方法对发酵进行外场强化，优化发酵条件。在最佳发酵

条件下发酵48h，ZSM-5-Mg多酶级联反应器外场强化PT-P发酵与PT-P单独发

酵相比，甲羟戊酸转化率高达57.25%，异戊二烯产量为184mg/L，提高约30%。

同时，多酶级联反应器在发酵过程中表现出优异的储存稳定性和可重复利用性。

关键词：异戊二烯；ZSM-5；金属离子改性；多酶级联反应器；摇瓶发酵

CONSTRUCTIONANDPERFORMANCE

STUDYOFACASCADEREACTORFOR

ISOPRENESYNTHASE

ABSTRACT

Isopreneisanimportantrawmaterialforrubber,whichcanbesynthesizedby

fermentationusingtheE.coliexpressingmevalonate(MVA)pathway.Theadvantages

ofthismethodincludelowcostandgreenness.However,overaccumulationof

intermediatescanresultinlowisopreneyieldsandcellgrowthbeingaffected.

Therefore,theadditionofamulti-enzymecascadereactorduringthefermentation

processforoutfieldenhancementofthefermentationcaneffectivelyimprovethe

efficiencyofisoprenebiosynthesis,andisanidealwaytosolve