Tolerance in Solventogenic Clostridia for Enhanced Butanol Production: Genetic Mechanisms and Recent Strain Engineering Advances

Abstract

Abstract. Biobutanol is a promising candidate for replacing fossil fuels due to its superior properties compared to ethanol. Solventogenic clostridia can naturally produce biobutanol among other valuable chemicals. Lignocellulosic material stands out as a promising source for biobutanol production, avoiding competition with food production and making use of residues from both agroindustry and forestry activities. However, Clostridium strains are subject to different chemical stressors, including oxygen, self-product inhibition, inhibitors generated during biomass pretreatment and hydrolysis, and others. Recent advances in genetic engineering tools have enabled the metabolic engineering of Clostridium strains to increase their robustness and tolerance to these stressors. This review provides a summary of the various types of inhibitors, the genetic mechanisms related to tolerance, and recent strain engineering efforts for tolerance enhancement. In addition, we offer a valuable perspective on the future research directions in this area.

Resumen. El biobutanol es un candidato prometedor para sustituir los combustibles fósiles debido a sus propiedades superiores en comparación con el etanol. Los clostridios solventegénicos pueden producir biobutanol de forma natural, entre otras sustancias químicas valiosas. El material lignocelulósico destaca como una fuente prometedora para la producción de biobutanol, evitando la competencia con la producción de alimentos y aprovechando residuos tanto de actividades agroindustriales como forestales. Sin embargo, las cepas de Clostridium están sujetas a diferentes factores químicos estresantes, incluido el oxígeno, la inhibición de la autoproducción, los inhibidores generados durante el pretratamiento y la hidrólisis de la biomasa, entre otros. Los avances recientes en herramientas de ingeniería genética han permitido que la ingeniería metabólica de cepas de Clostridium aumente su robustez y tolerancia a estos factores estresantes. Esta revisión proporciona un resumen de los diversos tipos de inhibidores, los mecanismos genéticos relacionados con la tolerancia y los esfuerzos recientes de ingeniería de cepas para mejorar la tolerancia. Además, ofrecemos una valiosa perspectiva sobre las futuras direcciones de investigación en esta área.