Effect of CO2 on succinate production in dual-phase Escherichia coli fermentations
- 作者
- Shiying Lu, Mark A. Eiteman, Elliot Altman
- 单位
- Center for Molecular BioEngineering, University of Georgia, Athens, GA 30602, United States
- 杂志
- Journal of Biotechnology（2009）
- DOI
- 10.1016/j.jbiotec.2009.07.012
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究气相CO2浓度对双相E. coli发酵中琥珀酸生产的影响，阐明CO2利用过程的限制因素
研究策略
在E. coli AFP111双相发酵中控制不同CO2浓度，结合13C标记葡萄糖、LC-MS和NMR进行代谢通量分析，并建立CO2传递与利用的四过程显式模型
核心内容
该研究系统考察了气相CO2浓度对双相发酵中大肠杆菌AFP111生产琥珀酸的影响。通过控制CO2浓度从0%升至50%，琥珀酸比生产速率由1.9 mg/g·h增至225 mg/g·h，质量产率由0.04 g/g提升至0.75 g/g，但超过50%后不再进一步提高。结合13C标记葡萄糖、LC-MS与NMR代谢通量分析发现，CO2浓度升高使磷酸戊糖途径通量分数从0.04增至0.17，用于满足还原力需求，同时PEP节点羧化通量分数从0.53升至0.63，琥珀酸经还原性TCA臂形成的比例由85%增至88%。研究者建立了CO2从气相到产物的四步传递与利用模型，指出低于约30–40% CO2时系统受气相CO2供应限制，而更高浓度下则由碳酸酐酶水合或PEP羧化酶动力学主导限速，PPC活性在50% CO2时接近饱和。该工作明确了CO2不仅是PEP羧化的必需底物，其浓度还通过影响磷酸戊糖途径通量间接调控还原力供给，为双相发酵中CO2供给策略的优化提供了定量依据。
创新点
揭示了CO2浓度通过影响磷酸戊糖途径通量来满足还原力需求；提出了CO2从气相到产物的四步传输与利用模型，区分了不同CO2浓度下的限速步骤
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli AFP111 | 琥珀酸合成通路（TCA还原臂和乙醛酸支路） | — | 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PPC, EC 4.1.1.31） | 催化 | 催化PEP羧化生成草酰乙酸，是CO2固定的关键酶，Km约为0.1 mM |
| Escherichia coli AFP111 | 丙酮酸代谢 | pfl | 丙酮酸甲酸裂解酶 | 催化 | 突变失活（ΔpflAB） |
| Escherichia coli AFP111 | 乳酸发酵 | ldhA | 乳酸脱氢酶 | 催化 | 突变失活（ldhA::Kan） |
| Escherichia coli AFP111 | 葡萄糖磷酸转移酶系统（PTS） | ptsG | PTS系统葡萄糖磷酸转移酶IIBC组分 | 转运 | 突变失活（ptsG），影响葡萄糖摄取 |
关键发现
- 随着气相CO2浓度从0%增至50%，琥珀酸比生产速率从1.9 mg/g·h增至225 mg/g·h，质量产率从0.04 g/g增至0.75 g/g
- 超过50%后不再提高。13C通量分析显示，CO2从3%升至50%时，磷酸戊糖途径通量分数从0.04增至0.17，PEP节点羧化通量分数从0.53增至0.63
- 琥珀酸通过还原性TCA臂形成的比例从85%增至88%。3% CO2时净CO2消耗速率为0.08 mmol/g·h（3.5 mg/g·h），50% CO2时为0.73 mmol/g·h（32 mg/g·h），对应体积消耗速率288 mg/L·h。模型预测低于约30-40% CO2时系统受气相CO2限制，高于此浓度则受PEP羧化酶动力学限制
- 碳酸酐酶催化的CO2水合步骤在10% CO2时可能限速，PPC酶活性在50% CO2时接近饱和，最大酶活性对应CO2消耗通量约4.6e-16 mmol/s（每细胞）
研究结论
CO2是PEP羧化所必需的底物，进而通过TCA还原臂生成琥珀酸。提高气相CO2浓度可增加琥珀酸产率和速率，并意外地增加磷酸戊糖途径通量以满足还原力需求。在大多数CO2浓度下，酶促过程（碳酸酐酶水合或PPC催化）是限速步骤，仅极低CO2浓度下传质才成为限制因素。