Metabolic Engineering of Propanediol Pathways

Abstract

Microbial fermentation is an important technology for the conversion of renewable resources to chemicals. In this paper, we describe the application of metabolic engineering for the development of two new fermentation processes: the microbial conversion of sugars to 1,3-propanediol (1,3-PD) and 1,2-propanediol (1,2-PD). A variety of naturally occurring organisms ferment glycerol to 1,3-PD, but no natural organisms ferment sugars directly to 1,3-PD. We first describe the fed-batch fermentation of glycerol to 1,3-PD by Klebsiella pneumoniae. We then present various approaches for the conversion of sugars to 1,3-PD, including mixed-culture fermentation, cofermentation of glycerol and glucose, and metabolic engineering of a "sugars to 1,3-PD" pathway in a single organism. Initial results are reported for the expression of genes from the K. pneumoniae 1,3-PD pathway in Saccharomyces cerevisiae. The best naturally occurring organism for the fermentation of sugars to 1,2-PD is Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum. We describe the fermentation of several different sugars to 1,2-PD by this organism in batch and continuous culture. We report that Escherichia coli strains engineered to express either aldose reductase or glycerol dehydrogenase convert glucose to (R)-1,2-PD. We then analyze the ultimate potential of fermentation processes for the production of propanediols. Linear optimization studies indicate that, under aerobic conditions, propanediol yields that approach the theoretical maximum are possible and CO2 is the primary coproduct. Without the need to produce acetate, final product titers in the range of 100 g/L should be possible; the high titers and low coproduct levels should make product recovery and purification straightforward. The examples given in this paper illustrate the importance of metabolic engineering for fermentation process development in general.

1,2-Propanediol Production by Using Saccharomyces cerevisiae M3G3

“…1,2-propanediol은 끓는점이 매우 높 으며 강한 소수성을 띄고 있다 [1]. 1,2-propanediol은 주로 플 라스틱과 레진, 항공기 방빙제, 페인트와 코팅제 그리고 기능 성 화장품 제조에 사용되고 있다 [1][2][3][4]. 1,2-propanediol의 전 세계 소비량은 2003년에 1천 200만 톤이며 [5], 가격은 2004년 기준 파운드당 $0.66이다 [6].…”

“…1,2-propanediol의 전 세계 소비량은 2003년에 1천 200만 톤이며 [5], 가격은 2004년 기준 파운드당 $0.66이다 [6]. 산업적으로 1,2-propanediol은 propylene oxide의 수화반응에 의해 만들어지는데 [7], 독성 을 가진 물질이 중간 산물로 생산되며 처리과정에도 상당한 비용이 들어간다는 단점이 있다 [4,8]. 그리고 다단계 공정 개발과 최종 회수가 간단하지 않아 생산 초기 비용을 높이 는 문제가 있다 [4].…”

“…산업적으로 1,2-propanediol은 propylene oxide의 수화반응에 의해 만들어지는데 [7], 독성 을 가진 물질이 중간 산물로 생산되며 처리과정에도 상당한 비용이 들어간다는 단점이 있다 [4,8]. 그리고 다단계 공정 개발과 최종 회수가 간단하지 않아 생산 초기 비용을 높이 는 문제가 있다 [4]. 재생자원을 이용하여 1,2-propanediol을 생산하는 방법에는 여러 가지가 있지만 고열과 고압에서 당류를 수소첨가분해 (hydrogenolysis)하는 방법은 생산 될 때 1,2-propanediol과 다른 polyol이 혼합되어 있어서 1,2-propanediol의 정제를 필요로 한다 [1,9,10].…”

“…재생자원을 이용하여 1,2-propanediol을 생산하는 방법에는 여러 가지가 있지만 고열과 고압에서 당류를 수소첨가분해 (hydrogenolysis)하는 방법은 생산 될 때 1,2-propanediol과 다른 polyol이 혼합되어 있어서 1,2-propanediol의 정제를 필요로 한다 [1,9,10]. 최근 글루코 오스와 같은 당류를 이용하여 1,2-propanediol을 생산하는데 여러 가지 미생물이 이용되고 있으며 E. coli와 S. cerevisiae 를 이용하여 글리세롤을 1,2-propanediol로 전환 생산하도록 대사공학적 기법을 이용한 연구도 진행되고 있다 [1,4,8,11,12]. (Table 3).…”

Microbial Production of 1, 3-Propanediol using Newly Isolated Enterobacter cloacae GNTEW13-1, GNTEW13-V and its Enhancement Studies by UV Mutagenesis

“…A number of microorganisms can ferment sugars to glycerol but they cannot convert glycerol to 1, 3-propanediol. Others may have the ability to ferment glycerol to 1, 3-propanediol and still others can ferment mixtures of glycerol and sugars to 1, 3-PDO, however, none, can ferment sugars directly to 1, 3-PDO (Cameron et al, 1998). There are reports where new metabolic pathways have been designed in cells by combining the ability to ferment sugar to glycerol and subsequently glycerol to 1, 3-PDO (Forage and Lin 1982;Tong and Cameron, 1992).…”