2,3-丁二醇，又被称作丁二仲醇、丁烷-2,3-二醇、2,3-双羟基丁烷等，是一种黏稠状的无色液体。其分子式是C4H10O2(相对分子量90.12)，因其结构中有两个手性碳原子，故而拥有三种同分异构体，即:(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇、meso-2,3-丁二醇以及L-(+)-2,3-丁二醇。这三种异构体的沸点都比水的沸点高，介于177°C至182°C。其中(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇的凝固点为零下60°C，在20℃下，相对密度略微大于水为1.05g/mL,其能够与水以任意的比例互溶，并且也可以溶于醇和醚。由于(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇凝固点低至-60℃，其也被用作防冻剂。
研究进展[1]
目前，人们通过代谢工程手段开发了多种菌株实现了高手性纯度的(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇的生产。其中肠杆菌科，如阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)、肺炎克雷伯氏菌 (Klebsiella pneumoniae)、粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)和产酸克雷伯氏菌 (Klebsiella oxytoca)是最有希望进行手性(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇生物高效生产的微生物，因为这些菌株在简单的培养基中能够快速生长，且自身拥有2,3-丁二醇的合成途径。
Li等对菌株Enterobacter cloacae SDM进行代谢工程改造，敲除其基因组中负责生产meso-2,3-丁二醇和L-(+)-2,3-丁二醇的bdh基因，筛选了三种来源的(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇脱氢酶，并最终使用了来源于Bacillus pumilus的，实现了高纯度(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇的生产，然后通过敲除基因ptsG（参与磷酸烯醇式丙酮酸葡萄糖转运体系）以及过表达基因galP（编码半乳糖渗透酶），所得菌株可以同时高效利用葡萄糖和木糖。随后，敲除副产物的基因(ldh和frdA)，最终菌株Enterobacter cloacae SDM 09通过分批补料发酵可以在44小时内利用葡萄糖和木糖生产152.0g/L的(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇，手性纯度为97.5%，这是目前报道中最高的(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇的产量。此外，该菌株能够以木质纤维素水解物为底物在51小时积累119.4g/L的手性纯度96%的(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇，首次实现了利用木质纤维素水解物生产手性纯的2,3-丁二醇。类似地，Bai等将Serratia marcescens MG1菌株中用于生产meso-2,3-丁二醇以及L-(+)-2,3-丁二醇的丁二醇基因slaC敲除，引入来自枯草芽孢杆菌的丁二醇脱氢酶基因bdhA，分批补料发酵48小时生产了89.81g/L手性纯度97%的(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇。Park等以Klebsiella oxytoca ΔldhA ΔpflB为出发菌株，使用来自于Paenibacillus polymyxa 的丁二醇脱氢酶代替自身的丁二醇脱氢酶（由基因budC编码），并且通过质粒进一步提高其表达水平，最终菌株积累了106.7g/L的(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇，产率为3.1g/L/h，其手性纯度为92%。虽然上述菌株有着较高的(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇产量以及产率，然而这些菌株为条件致病菌，实际应用条件严苛。Lee等以缺乏致病因子的肺炎克雷伯菌突变体为底盘菌株，敲除丁二醇脱氢酶基因(budC)、乳酸脱氢酶基因(ldhA)，过表达甘油脱氢酶基因(DhaD,GldA)，得到了菌株SGSB112，通过分批补料发酵生产了61g/L手性纯度98%的(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇，虽然这个菌株敲除了荚膜形成的基因，但具体菌株的安全性有待评估。
地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis) 、多粘类芽孢杆菌(Paenibacillus polymyxa)以及枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)被认为是 GRAS微生物，自身也具有2,3-丁二醇合成途径，在(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇的实际生产应用中具有巨大前景。Ge等研究了Bacillus licheniformis MW3中2,3-丁二醇的异构体形成的机制，敲除了自身专一性生产meso-2,3-丁二醇的脱氢酶基因budC，最终菌株在42小时积累了123.7g/L手性纯度高达99%的(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇，这也是目前报道的使用GRAS微生物生产(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇的最高水平。
Thomas等对菌株Paenibacillus polymyxa DSM 365进行发酵溶氧优化，使得菌株最终54小时生产了111g/L手性纯度为98%的(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇。Yan等分离得到了菌株Bacillus spp.FJ-4，培养基优化后，菌株在分批补料发酵下以0.6g/L的速率积累了100g/L的(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇，手性纯度超过99.9%。
酿酒酵母已被成功地用于现代发酵工业，生产各种产品，包括乙醇、有机酸、氨基酸、酶和治疗性蛋白质。酿酒酵母自身只能通过双乙酰途径合成(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇，Lian等破坏菌株丙酮酸脱羧酶（PDCs），并且过表达MTH1（转录调控因子），进行适应性进化获得了一株葡萄糖以及半乳糖共利用菌株，随后引入来自枯草芽孢杆菌的乙酰乳酸脱羧酶，成功实现了(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇的生产，然而在300多小时积累了100g/L，产率较低。
在非天然2,3-丁二醇生产菌株中通过引入(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇的外源合成途径也显示出较好的效果，目前大肠杆菌研究地较多。Ji等在菌株E.coli MG1655中，通过质粒引入来自肺炎克雷伯氏菌的基因budB（编码a-乙酰乳酸合成酶），以及基因budA（编码a-乙酰乳酸脱羧酶），来自枯草芽孢杆菌编码专一性(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇脱氢酶的基因ydjL，三个基因组装在一起构成合成操纵子，最终菌株E.coli MQ1生产了115g/L的(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇，产率为1.44g/L/h，手性纯度为99%， 这是目前文献报道的，使用大肠杆菌生产(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇的最高水平。
参考文献
[1] 寇梦云. 代谢工程改进谷氨酸棒杆菌CGS10高产D-（-）-2,3-丁二醇[D]. 天津:天津大学,2022.