Assessment of metabolic flux distribution in the thermophilic hydrogen producer Caloramator celer as affected by external pH and hydrogen partial pressure
- 作者
- Alessandro Ciranna, Sudhanshu S Pawar, Ville Santala, Matti Karp, Ed WJ van Niel
- 单位
- Department of Chemistry and Bioengineering, Tampere University of Technology, Korkeakoulunkatu 8, FI-33720 Tampere, Finland; Department of Applied Microbiology, Lund University, P.O. Box 124, SE-221 00 Lund, Sweden
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2014）
- DOI
- 10.1186/1475-2859-13-48
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
揭示外部pH和氢分压(P_H2)如何影响嗜热产氢菌Caloramator celer的碳和电子通量分布，以优化生物制氢过程
研究策略
结合批次发酵实验数据、基因组分析、中心碳代谢重建与代谢通量分析（MFA），系统比较不同pH和N2吹扫条件下的生长、产物分布及关键节点通量
核心内容
本研究通过结合批次发酵实验、基因组分析与代谢通量分析，系统考察了外部pH和氢分压对嗜热产氢菌Caloramator celer碳及电子通量分布的影响。实验在pH 5.5至8范围内进行，并辅以N2吹扫调控氢分压。结果显示，pH 6时氢气产量最高，累积达106 mmol/l，产率为2.97 mol/mol葡萄糖，而碱性条件下产率降低约33%。最大比生长速率则在pH 8时最高（1.50 h⁻¹），约为pH 6时的三倍。高氢分压虽不影响生长，但使甲酸和乙醇合成翻倍，表明丙酮酸节点上PFOR与PFL的通量分配受pH与氢分压协同调控。代谢通量分析揭示该菌通过灵活重排碳流以维持氧化还原平衡和能量回收，pH 7指数期胞内ATP浓度较pH 6高出两倍以上。这些结果表明，酸性pH结合低氢分压适合追求高产率的制氢过程，而碱性条件利于高生产率运行，为优化该菌株的发酵制氢策略提供了代谢层面的理论依据。
创新点
首次在pH受控条件下系统研究C. celer的发酵代谢，发现丙酮酸节点上PFL/PFOR通量分配受pH和P_H2调控，并证明该菌在不利条件下通过灵活的通量重排维持氧化还原平衡和能量回收
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Caloramator celer | 糖酵解 | TCEL_00702 | 甘油醛-3-磷酸脱氢酶 (GAPDH) | 催化 | 催化甘油醛-3-磷酸氧化生成NADH |
| Caloramator celer | 丙酮酸代谢 | TCEL_02202-02206/TCEL_01566 | 丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶 (PFOR) | 催化 | 催化丙酮酸氧化脱羧生成乙酰-CoA和Fd_red，为H2产生提供还原当量 |
| Caloramator celer | 丙酮酸代谢 | TCEL_00503 | 丙酮酸甲酸裂解酶 (PFL) | 催化 | 催化丙酮酸生成乙酰-CoA和甲酸，不产生Fd_red |
| Caloramator celer | 氢代谢 | TCEL_00581-00584/TCEL_01273-01277 | [FeFe]-氢化酶 | 催化 | 推测利用NADH还原质子产生H2 |
| Caloramator celer | 氢代谢 | TCEL_00187-00205 | [NiFe]-氢化酶 (MBH) | 催化 | 膜结合铁氧还蛋白依赖性氢化酶，氧化Fd_red产生H2并偶联能量守恒 |
| Caloramator celer | 乙醇合成 | TCEL_01373, TCEL_00064 | 双功能乙醛/醇脱氢酶和醇脱氢酶 | 催化 | 催化乙酰-CoA还原为乙醇，消耗NADH |
关键发现
- ['pH 6时获得最高H2产量：H2积累106 mmol/l，H2产率2.97 mol/mol葡萄糖；pH 8和7时H2产率约低33%（分别为1.90和1.69 mol/mol葡萄糖）。', '碱性pH下最大比生长速率μmax比酸性pH高约3倍：pH 8为1.50 h-1，pH 7为1.34 h-1，pH 6为0.53 h-1，pH
- 5为0.45 h-1。', '高P_H2不影响生长，但导致甲酸和乙醇合成增加约2倍：例如pH 7无N2吹扫时甲酸产率为0.71 mol/mol葡萄糖（吹扫为0.37），乙醇产率0.37（吹扫为0.27）。', 'pH 6且N2吹扫时（Case III）H2产率达3.10 mol/mol葡萄糖，归一化H2通量接近理论值4；pH 6无N2时H2产率为2.60。', '细胞内ATP在pH 7指数期比pH 6高2倍以上（0.097-0.117 vs
- 043-0.046 μmol/g），稳定期差距达7-8倍。', 'pH 7稳定期无N2时NADH/NAD+比从0.06升至0.13；pH 6稳定期NADH/NAD+大幅升高主要因NAD+池耗竭。']
研究结论
Caloramator celer具有灵活的发酵代谢，可通过关键代谢节点的通量重排同时控制氧化还原状态并高效获取能量。面向氢气生产，酸性pH和低P_H2适合高产率过程，碱性pH和高P_H2可实现高生产率过程。