Mapping the Physiological Response of Oenococcus oeni to Ethanol Stress Using an Extended Genome-Scale Metabolic Model
- 作者
- Angela Contreras, Magdalena Ribbeck, Guillermo D. Gutiérrez, Pablo M. Cañon, Sebastian N. Mendoza, Eduardo Agosin
- 单位
- Department of Chemical and Bioprocess Engineering, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago, Chile; Mathomics, Center for Mathematical Modeling, Universidad de Chile, Santiago, Chile; Center for Genome Regulation, Universidad de Chile, Santiago, Chile
- 杂志
- Frontiers in Microbiology（2018）
- DOI
- 10.3389/fmicb.2018.00291
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析乙醇对Oenococcus oeni代谢的生理影响，阐明其在葡萄酒高乙醇胁迫下的代谢重分布和营养需求，以提高苹果酸乳酸发酵的可预测性。
研究策略
设计模拟葡萄酒环境的化学限定培养基MaxOeno，结合扩展的基因组规模代谢模型iSM454，通过通量平衡分析（FBA）、通量变异性分析（FVA）、随机采样和 elementary flux mode 分析，预测不同乙醇浓度下O. oeni的细胞内代谢通量重分布。
核心内容
本研究通过开发模拟葡萄酒环境的化学限定培养基MaxOeno，结合扩展的基因组规模代谢模型iSM454，系统解析了乙醇胁迫对酒酒球菌PSU-1代谢的生理影响。研究者运用通量平衡分析、通量变异性分析及随机采样等方法，预测了不同乙醇浓度下细胞内代谢通量的重分布。结果显示，乙醇浓度升高显著抑制生长，最高生物量从0%乙醇时的0.8541 gDCW/L降至12%时的0.4474 gDCW/L，比生长速率由0.0211 h⁻¹下降至0.0135 h⁻¹。非生长相关维持能在9%和12%乙醇时分别较无乙醇条件提高10倍和17倍，表明胁迫下能量需求急剧增加。甘露醇和赤藓糖醇合成贡献了NAD(P)⁺再生的51-57%，成为维持氧化还原平衡的关键途径；F0F1-ATPase通量从2.9 mmol gDCW⁻¹ h⁻¹增至4.8 mmol gDCW⁻¹ h⁻¹，成为乙醇胁迫下ATP合成的主要驱动力。该研究首次量化了乙醇胁迫下的能量与氧化还原需求变化，为优化葡萄酒苹果酸乳酸发酵的营养补充策略提供了理论依据。
创新点
开发了支持O. oeni在乙醇胁迫下生长的化学限定培养基MaxOeno；扩展iSM454模型以模拟多阶段生长和代谢物积累；首次量化了不同乙醇浓度下非生长相关维持能（NGAM）、能量和氧化还原需求的变化。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Oenococcus oeni PSU-1 | 磷酸酮醇酶途径 (异型发酵) | — | — | 催化 | 主要糖代谢途径，产生D-乳酸、乙酸等，参与能量生成。 |
| Oenococcus oeni PSU-1 | 苹果酸乳酸发酵 (MLF) | — | — | 催化 | L-苹果酸脱羧为L-乳酸，产生质子梯度，利于ATP合成。 |
| Oenococcus oeni PSU-1 | 柠檬酸降解途径 | — | — | 催化 | 柠檬酸转化为乙酸和CO₂，与质子外排和能量代谢相关。 |
| Oenococcus oeni PSU-1 | — | — | F0F1-ATPase | 能量供给 | 乙醇胁迫下ATP合成的主要途径，通量随乙醇浓度升高而增加。 |
| Oenococcus oeni PSU-1 | 膜脂肪酸代谢 | cfa | — | 区室化 | 编码环丙烷脂肪酸合酶，改变膜脂肪酸组成以增强乙醇耐受性。 |
| Oenococcus oeni PSU-1 | 胞外多糖合成 | gtf | — | 催化 | 编码葡糖基转移酶，参与胞外多糖合成，与乙醇和其他应激抗性相关。 |
| Oenococcus oeni PSU-1 | 甘露醇合成（果糖还原） | — | — | 催化 | 主要由果糖还原产生甘露醇，是NAD⁺再生的主要途径之一，贡献51-57%的NAD(P)⁺再生。 |
| Oenococcus oeni PSU-1 | 赤藓糖醇合成 | — | — | 催化 | 与甘露醇合成共同构成NAD⁺再生的主要来源，产量随乙醇浓度增加。 |
关键发现
- 乙醇浓度增加导致生物量和比生长速率下降，最高生物量在0%乙醇时为0.8541 gDCW/L，12%时为0.4474 gDCW/L
- 比生长速率从0.0211 h⁻¹降至0.0135 h⁻¹。NGAM在9%和12%乙醇时分别比无乙醇高10倍和17倍（第一阶段）。甘露醇和赤藓糖醇合成是NAD(P)⁺再生的主要来源，贡献了其利用量的51-57%。F0F1-ATPase是乙醇胁迫下ATP合成的主要途径，其通量从0%乙醇的2.9 mmol gDCW⁻¹ h⁻¹增至12%乙醇的4.8 mmol gDCW⁻¹ h⁻¹。半胱氨酸是氨基酸中消耗速率最快的，且在第二阶段的消耗速率高于第一阶段。
研究结论
乙醇胁迫下O. oeni通过增加能量维持需求、加强苹果酸和柠檬酸代谢以驱动质子外排、利用甘露醇和赤藓糖醇合成再生NAD⁺等策略适应环境。该研究为优化葡萄酒MLF的营养添加策略提供了理论依据。