从二氧化碳和水光生物生产丁醇的设计者生物体制造技术

本发明专利技术提供一种基于设计者转基因植物、设计者藻类、设计者蓝绿藻(蓝藻(cyanobacteria)和原绿球藻(oxychlorobacteria))或设计者植物细胞的生物安全防护型光生物丁醇生产技术。产生设计者光合生物体以便驯化内源光生物调控机制，且从光合过程获得的还原力(NADPH)和能量(ATP)是用于从二氧化碳(CO2)和水(H2O)直接合成丁醇(CH3CH2CH2CH2OH)。本发明专利技术的丁醇生产方法通过避免生物质技术的瓶颈问题完全消除了顽抗性木质纤维素的问题。预期本发明专利技术的光生物丁醇生产技术具有比当前技术高得多的太阳能至丁醇能源转换效率，并且也可帮助保护地球环境，避免大气中CO2的危险积聚。

From carbon dioxide and water bio butanol production designer organisms

The invention provides a designer, designers, designers of transgenic plants algae (Cyanobacteria based on Lan Lvzao (Cyanobacteria) and Prochlorococcus (oxychlorobacteria)) light bio butanol biological safety production technology or designer of plant cells. The photosynthetic organisms are produced to domesticate the regulation mechanism of endogenous light organisms, and the reducing power (NADPH) and energy (ATP) obtained from photosynthetic process are directly used to synthesize butanol (CH3CH2CH2CH2OH) from carbon dioxide (CO2) and water (H2O). Butanol production method of this invention through the bottleneck problem to avoid biomass technology completely eliminates the recalcitrance of lignocellulose problem. It is expected that the butanol production technology of the invention has much higher energy conversion efficiency from solar energy to butanol than the current technology, and it can also help protect the earth's environment and avoid the dangerous accumulation of CO2 in the atmosphere.

【技术实现步骤摘要】
从二氧化碳和水光生物生产丁醇的设计者生物体本申请是申请日为2009年2月21日、申请人为詹姆斯·伟甫·郦、专利技术名称为“从二氧化碳和水光生物生产丁醇的设计者生物体”的中国专利申请200980114542.9的分案申请。相关申请的交叉引用本申请主张2008年2月23日申请的美国临时申请第US61/066,845和US61/066,835号的权益。这两个申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。
本专利技术一般涉及生物安全防护型生物燃料能源生产技术。更具体地说，本专利技术提供一种基于设计者转基因(designertransgenic)植物如转基因藻类、蓝绿藻(蓝藻(cyanobacteria)和原绿球藻(oxychlorobacteria))或植物细胞的光生物丁醇生产方法，所述设计者转基因植物被产生来利用从光合过程获得的还原力(NADPH)和能量(ATP)直接从二氧化碳(CO2)和水(H2O)立即合成丁醇(CH3CH2CH2CH2OH)。
技术介绍
丁醇(CH3CH2CH2CH2OH)是一种四碳醇，可用作液体燃料以驱动发动机，例如汽车。丁醇可代替汽油，并且这两种燃料的能含量几乎相同(每加仑丁醇的能含量为110,000Btu；每加仑汽油的能含量为115,000Btu)。与乙醇相比，丁醇作为替代燃料也有很多优越的性质。这些性质包括：1)丁醇的能含量(每加仑丁醇的能含量为110,000Btu)高于乙醇(每加仑乙醇的能含量为84,000Btu)；2)丁醇的“蒸发性”比乙醇小6倍，比汽油小13.5倍，使得其作为氧合物使用时更加安全，从而消除在夏季和冬季对非常特殊的掺合物的需求；3)丁醇可通过现有的燃料基础设施(包括汽油管道)运输，而乙醇必须通过铁路、驳船或卡车运送；和4)丁醇可以加仑对加仑地用作汽油的替代品，例如100％或任何其它百分比，而乙醇只能用作汽油的添加剂，最高为约85％(E-85)，并且只有在对发动机显著改进后才能使用(而丁醇可作为100％替代燃料工作，无需改进现有汽车发动机)。丁醇作为液体燃料在当前的运输和能源系统中已有巨大的潜在市场。丁醇也用作工业溶剂。在美国，丁醇目前主要是由石油制造。历史上(20世纪初到20世纪50年代)，人们通过典型地利用特定产丁醇菌(例如丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)和拜氏梭菌(Clostridiumbeijerinckii))的发酵方法从玉米和糖蜜制造生物丁醇，所述发酵过程也产生丙酮和乙醇并且被称为ABE(丙酮、丁醇、乙醇)发酵。然而，当大约1954年美国失去从古巴的低价糖供应时，利用发酵的丁醇生产就开始下滑，主要是因为石油价格降到比糖价还低的水平。最近，对于使用梭菌和/或酵母发酵方法，从例如玉米淀粉等生物质生产丁醇和/或乙醇重新给予了R&D关注。然而，与“玉米淀粉乙醇生产”的情形类似，“玉米淀粉丁醇生产”方法也需要很多的耗能步骤，包括农业玉米作物培育、玉米谷物收获、玉米谷物淀粉加工和淀粉制糖制丁醇发酵。“玉米淀粉丁醇生产”方法也可能消耗与其丁醇产物的能量值几乎一样多的能量。这并不令人吃惊，可以理解的原因是当前技术可以利用的玉米淀粉只占包括玉米杆、叶子和根的玉米作物生物质的一小部分。玉米秸通常被丢弃在农田里，缓慢分解成CO2，因为其在很大程度上代表了无法由当前的生物精炼工业有效用于生产乙醇或丁醇的木质纤维素生物质材料。人们已经进行研究试图从木质纤维素植物生物质材料制造乙醇或丁醇，即称作“纤维素乙醇”或“纤维素丁醇”的概念。然而，植物生物质已经进化出了有效机制以用于抵御微生物和动物界对其细胞壁结构糖的攻击。这种性质构成天然顽抗性(naturalrecalcitrance)的基础，从而为节省成本地将木质纤维素生物质转换为可发酵糖设置了障碍。因此，一个被称作“木质纤维素顽抗性”的难题在节省成本地将植物生物质转换为可发酵糖这一方面构成了难以逾越的技术屏障。也就是说，因为顽抗性问题，木质纤维素生物质(例如玉米秸、柳枝稷和木本植物材料)无法容易地转换为可发酵糖，从而无法在没有特定预处理的情况下制造乙醇或丁醇，预处理通常与高昂的加工成本有关。虽然在木质纤维素生物质预处理和发酵型丁醇生产加工方面的R&D工作已有50多年之久，但是顽抗性木质纤维素的问题仍然是至今也无法消除的难以逾越的技术屏障。此外，木质纤维素生物质培育、收获、预处理加工和纤维素制糖制丁醇发酵等步骤都消耗能量。因此，任何可规避生物质技术中的这些瓶颈问题的新技术都是有用的。生氧光细菌(oxyphotobacteria)(也称作蓝绿藻，包括蓝藻和原绿球藻)和藻类(例如莱茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)、亚心形扁藻(Platymonassubcordiformis)、小球藻(Chlorellafusca)、杜氏盐藻(Dunaliellasalina)、布朗纤维藻(Ankistrodesmusbraunii)和斜生栅藻(Scenedesmusobliquus))可在液体培养基中利用从水形成的O2来执行CO2的光合同化，其太阳能转换为生物质能的最大理论转换率为约10％，并且在作为清洁再生能源方面具有巨大的潜力。然而，野生型产氧光合绿色植物，例如蓝绿藻和真核藻类，并不具有从CO2和H2O直接生产丁醇的能力。野生型光合作用利用从光合水裂解和穿过藻类类囊体膜系统的与质子梯度偶联的电子传递过程产生的还原力(NADPH)和能量(ATP)，在藻类或绿色植物叶绿体的基质区域，用统称为“卡尔文循环(Calvincycle)”的一系列酶将CO2还原为碳水化合物(CH2O)n，例如淀粉。野生型光合过程的最终结果是根据以下过程反应利用太阳光能将CO2和H2O转化为碳水化合物(CH2O)n和O2：nCO2+nH2O→(CH2O)n+nO2[1]碳水化合物(CH2O)n然后在细胞代谢和生长期间进一步转换为各种各样的复杂细胞(生物质)材料，包括蛋白质、脂质和纤维素，以及其它细胞壁材料。在某些藻类如莱茵衣藻中，一些有机储备物如淀粉可通过二级发酵代谢途径缓慢代谢成乙醇(而不是丁醇)。藻类发酵代谢途径与酵母发酵过程类似，淀粉借此被分解成较小的糖，例如葡萄糖，其接着通过糖酵解过程转换为丙酮酸。丙酮酸然后可通过许多其它代谢步骤转换为甲酸、乙酸和乙醇(Gfeller和Gibbs(1984)“FermentativemetabolismofChlamydomonasreinhardtii,”PlantPhysiol.75:212-218)。此二级代谢过程的效率非常有限，可能是因为其只能利用藻类细胞中有限的有机储备物如淀粉中的一小部分。此外，天然藻类二级代谢过程不能产生任何丁醇。如上所述，丁醇具有许多优越的物理性质，使得其可代替汽油用作燃料。因此，需要具有高的太阳能至丁醇能源转换效率的新颖光生物丁醇生产机制。本专利技术提供革命性的设计者光合生物体，其能够利用太阳光直接从CO2和H2O合成丁醇。本专利技术提供的光生物丁醇生产系统可避免上述生物质技术的所有瓶颈问题。
技术实现思路
本专利技术提供基于设计者转基因植物(例如藻类和生氧光细菌)或植物细胞的光生物丁醇生产方法。设计者光合生物体是通过基因工程来产生，使得内源光合调控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于细胞分裂可控型设计者转基因光合生物体的生物安全防护型、可切换的光生物生产丁醇的方法，其包括：将转基因光合生物体引入光生物反应器系统中，所述转基因光合生物体包含编码一组酶的转基因，所述酶由诱导型启动子控制表达，所述酶可作用于卡尔文循环的中间产物并将所述中间产物转化为丁醇，其中所述中间产物选自由甘油醛‑3‑磷酸、3‑磷酸甘油酸、果糖‑1,6‑二磷酸和果糖‑6‑磷酸组成的组,其中所述转基因光合生物体包含编码至少一种促进NADPH/NADH转化以增强丁醇光生物生产的酶的DNA构建体,其中所述NADPH/NADH转化是通过两步机制实现：i)使用卡尔文循环的甘油醛‑3‑磷酸脱氢酶的步骤，其利用NADPH将1,3‑二磷酸甘油酸还原为甘油醛‑3‑磷酸；和ii)使用所述NAD+依赖性甘油醛‑3‑磷酸脱氢酶的步骤，其在将甘油醛‑3‑磷酸氧化为1,3‑二磷酸甘油酸中产生NADH；在所述光生物反应器中使用从光合水裂解和与质子梯度偶联的电子传递过程获得的、与所述转基因光合生物体有关的还原力NADPH和能量ATP，从二氧化碳和水合成丁醇；和使用丁醇分离方法从所述光生物反应器收集合成的丁醇，其中所述转基因光合生物体经基因工程改造以诱导性地表达另一组设计者酶，所述另一组设计者酶促进叶绿体基质区域中的淀粉降解和糖酵解，并且所述另一组设计者酶包括至少一种选自由下列组成的组的酶：淀粉酶、淀粉磷酸化酶、己糖激酶、磷酸葡萄糖变位酶、磷酸葡萄糖异构酶、磷酸果糖激酶、醛缩酶、磷酸丙糖异构酶、甘油醛‑3‑磷酸脱氢酶、磷酸甘油酸激酶、磷酸甘油酸变位酶、烯醇化酶、丙酮酸激酶和其组合；并且其中所述转基因光合生物体是蓝藻。...

【技术特征摘要】
2008.02.23 US 61/066,845;2008.02.23 US 61/066,8351.一种基于细胞分裂可控型设计者转基因光合生物体的生物安全防护型、可切换的光生物生产丁醇的方法，其包括：将转基因光合生物体引入光生物反应器系统中，所述转基因光合生物体包含编码一组酶的转基因，所述酶由诱导型启动子控制表达，所述酶可作用于卡尔文循环的中间产物并将所述中间产物转化为丁醇，其中所述中间产物选自由甘油醛-3-磷酸、3-磷酸甘油酸、果糖-1,6-二磷酸和果糖-6-磷酸组成的组,其中所述转基因光合生物体包含编码至少一种促进NADPH/NADH转化以增强丁醇光生物生产的酶的DNA构建体,其中所述NADPH/NADH转化是通过两步机制实现：i)使用卡尔文循环的甘油醛-3-磷酸脱氢酶的步骤，其利用NADPH将1,3-二磷酸甘油酸还原为甘油醛-3-磷酸；和ii)使用所述NAD+依赖性甘油醛-3-磷酸脱氢酶的步骤，其在将甘油醛-3-磷酸氧化为1,3-二磷酸甘油酸中产生NADH；在所述光生物反应器中使用从光合水裂解和与质子梯度偶联的电子传递过程获得的、与所述转基因光合生物体有关的还原力NADPH和能量ATP，从二氧化碳和水合成丁醇；和使用丁醇分离方法从所述光生物反应器收集合成的丁醇，其中所述转基因光合生物体经基因工程改造以诱导性地表达另一组设计者酶，所述另一组设计者酶促进叶绿体基质区域中的淀粉降解和糖酵解，并且所述另一组设计者酶包括至少一种选自由下列组成的组的酶：淀粉酶、淀粉磷酸化酶、己糖激酶、磷酸葡萄糖变位酶、磷酸葡萄糖异构酶、磷酸果糖激酶、醛缩酶、磷酸丙糖异构酶、甘油醛-3-磷酸脱氢酶、磷酸甘油酸激酶、磷酸甘油酸变位酶、烯醇化酶、丙酮酸激酶和其组合；并且其中所述转基因光合生物体是蓝藻。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述转基因光合生物体包括选自由以下组成的组的蓝绿藻(生氧光细菌，包括蓝藻和原绿球藻)：细长嗜热聚球藻BP-1、发菜PCC7120、细长聚球藻PCC6301、聚球藻PCC7942株、聚球藻PCC7002株、集胞藻PCC6803株、海洋原绿球藻MED4、海洋原绿球藻MIT9313、海洋原绿球藻NATL1A、原绿球藻SS120、钝顶螺旋藻(钝顶节旋藻)、太平洋螺旋藻、巨大鞘丝藻、鱼腥藻、集胞藻、细长聚球藻、聚球藻(MC-A)、束毛藻、胞内植生藻、聚球藻WH7803、聚球藻WH8102、念珠藻、聚球藻PCC7943株、集胞藻PCC6714藻蓝蛋白缺陷型突变株PD-1、蓝杆菌51142株、蓝杆菌CCY0110、丰裕颤藻、巨大鞘丝藻、藓生束藻、无类囊体蓝藻、原绿藻、荷兰原绿丝蓝细菌、聚球藻(MC-A)、束毛藻、胞内植生藻、海洋原绿球藻、原绿球藻SS120、聚球藻WH8102、巨大鞘丝藻、藓生束藻、Synechococcusbigranulatus、嗜冷颤藻、席藻、发菜-1、墙壁眉藻、嗜热Synechococcusbigranulatus、灰蓝聚球藻、嗜热层理鞭枝藻、佛氏拟绿胶蓝细菌PCC6912、瓦氏聚球藻、聚球藻MA4株、聚球藻MA19株和细长嗜热聚球藻。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述转基因光合生物体包含选自由以下组成的组的生物安全防护特征：可在预确定的诱导条件...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·伟甫·郦，
申请(专利权)人：詹姆斯·伟甫·郦，
类型：发明
国别省市：美国,US