Biosynthesis of keto acids by fed-batch culture of Yarrowia lipolytica WSH-Z06
- 作者
- Weizhu Zeng, Hailin Zhang, Sha Xu, Fang Fang, Jingwen Zhou
- 单位
- Key Laboratory of Industrial Biotechnology of Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University; National Engineering Laboratory for Cereal Fermentation Technology, Jiangnan University
- 杂志
- Bioresource Technology（2017）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2017.07.063
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
α-酮戊二酸生产过程中丙酮酸作为副产物积累，传统策略致力于消除丙酮酸，但现代分离技术已能分离两者，因此本研究旨在同时提高α-酮戊二酸和丙酮酸的产量。
研究策略
通过摇瓶和3 L发酵罐实验，考察初始甘油浓度和残甘浓度对细胞生长及酮酸积累的影响，建立以低初始甘油浓度和恒速补料维持低残甘浓度的分批补料发酵策略。
研究路线图
核心内容
本研究以解脂耶氏酵母WSH-Z06为生产菌株，针对α-酮戊二酸和丙酮酸共生产中底物抑制和副产物调控问题，提出同时提升两种酮酸产量的新型发酵策略。通过摇瓶及3 L发酵罐实验，系统考察初始甘油浓度和残甘浓度对细胞生长与酮酸积累的影响，据此建立低初始甘油浓度结合恒速补料的分批补料发酵模式。结果显示，最佳初始甘油浓度为50 g/L，恒速流加速率1.25 g/L/h可将残甘稳定控制在20–30 g/L，有效缓解底物抑制并增强丙酮酸激酶活性。在该策略下，α-酮戊二酸和丙酮酸产量分别达67.4 g/L和39.3 g/L，较分批发酵分别提高9.6%和176.8%，总酮酸产量达106.7 g/L，得率0.71 g/g甘油，生产力0.74 g/L/h。与传统单独生产α-酮戊二酸相比，发酵周期缩短29.4%，总酮酸产量和生产力分别提升36.6%和94.7%。该共生产策略利用两种产物相近的商业价值，显著提升过程效率并降低生产成本，具备良好的工业应用潜力。
创新点
首次同时优化α-酮戊二酸和丙酮酸的生产，利用两者商业价值相近实现共生产；采用低初始甘油浓度（50 g/L）和恒速补料（1.25 g/L/h）维持残甘20-30 g/L，克服底物抑制并增强丙酮酸激酶活性。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Yarrowia lipolytica WSH-Z06 | 甘油代谢 | — | 甘油脱氢酶、甘油脱水酶、1,3-丙二醇氧化还原酶 | 催化 | 文献指出甘油浓度影响这些胞外酶活性 |
| Yarrowia lipolytica WSH-Z06 | 糖酵解/丙酮酸合成 | — | 丙酮酸激酶 (PK) | 催化 | 催化磷酸烯醇丙酮酸转化为丙酮酸，低甘油浓度可能提高其活性 |
关键发现
- 最佳初始甘油浓度为50 g/L，残甘维持在20-30 g/L，恒速流加1.25 g/L/h
- 补料分批发酵中α-KG和PYR分别为67.4 g/L和39.3 g/L，比分批发酵提高9.6%和176.8%
- 总酮酸产量106.7 g/L，得率0.71 g/g甘油，生产力0.74 g/L/h，较最优分批发酵分别提高42.0%和39.6%
- 发酵周期较单独生产α-KG缩短29.4%，酮酸产量和生产力分别提高36.6%和94.7%。
研究结论
恒速补料的分批补料模式可高效共生产α-酮戊二酸和丙酮酸，显著提高产量和得率，缩短发酵周期，降低成本，具有工业应用前景。