高级醇 · 代谢工程文献库

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A metabolic-based approach to improve xylose utilization for fumaric acid production from acid pretreated wheat bran by Rhizopus oryzae

作者
Guanyi Wang, Di Huang, Yong Li, Jianping Wen, Xiaoqiang Jia
单位
Key Laboratory of System Bioengineering (Tianjin University), Ministry of Education; SynBio Research Platform, Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering (Tianjin); TEDA School of Biological Sciences and Biotechnology, Nankai University
杂志
Bioresource Technology（2015）
DOI
10.1016/j.biortech.2014.12.091
所属领域
代谢工程
关键词
Fumaric acidMetabolic profilingRhizopus oryzaeWheat branXylose
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解决的核心问题

以麦麸水解液（WBH）为碳源利用米根霉生产富马酸时，木糖利用率低，导致富马酸产量不高，需要明确木糖代谢的限制因素并提高其利用效率。

研究策略

先优化麦麸酸预处理条件和种子培养基获得适宜菌体形态；再利用GC-MS和LC-MS/MS进行代谢谱分析，比较木糖和葡萄糖代谢的差异，用多元统计识别关键代谢物；基于代谢物瓶颈采取添加烟酸、维生素C、柠檬酸钠、丝氨酸、脯氨酸及调节转速等组合调控策略，提高木糖利用和富马酸产量。

研究路线图

100%
核心问题：WBH中木糖利用率低
策略1：优化酸预处理+种子培养基
预处理结果：葡萄糖4.8g/L，富马酸3.5g/L，形态0.55mm小球
策略2：代谢组学解析（GC-MS/LC-MS/MS+多元统计）
关键瓶颈：木糖醇积累+PPP碳流受限
策略3：多靶点组合调控（烟酸/VC/转速等）
单因子调控效果：烟酸8.54g/L，丝氨酸10.33g/L等
组合策略：木糖培养基15.4g/L（+149%）
结论：WBH富马酸20.2g/L（+477%）
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核心内容

本研究以麦麸水解液为碳源，利用米根霉生产富马酸，针对木糖利用率低的瓶颈展开系统优化。首先通过酸预处理条件的调整，使水解液中葡萄糖浓度达4.8 g/L，富马酸产量较未加酸组提高4.4倍；种子培养基优化使菌体形成0.55 mm小球。随后采用GC-MS和LC-MS/MS进行代谢谱分析，发现木糖代谢中木糖醇（相对丰度0.49对0.01）、景天庚酮糖-7-磷酸、脯氨酸和丝氨酸等为关键差异代谢物，指向木糖还原酶和木糖醇脱氢酶步骤及磷酸戊糖途径的限制。基于此，分别添加烟酸、维生素C、柠檬酸钠、丝氨酸和脯氨酸，富马酸产量从6.02 g/L提升至10.33 g/L，其中丝氨酸效果最佳。进一步组合调控使木糖培养基中产量达15.4 g/L，较初始提高149%；最终以麦麸水解液为底物，组合策略下富马酸产量达20.2 g/L，较初始提高477%。该结果证实代谢组学指导的多靶点调控能有效解除木糖代谢瓶颈，为低成本生物基富马酸生产提供可行思路。

创新点

['首次采用代谢组学方法揭示米根霉木糖代谢中富马酸合成的限制性代谢物', '基于木糖醇等关键代谢物提出多靶点调控策略', '利用麦麸水解液通过组合调控实现富马酸高产']

研究对象（5）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Rhizopus oryzae — — — — 野生型菌株1.22，衍生于ATCC20344
Rhizopus oryzae 木糖分解代谢途径（PCP） — 木糖还原酶（XR） 催化 将木糖转化为木糖醇，NADPH依赖性
Rhizopus oryzae 木糖分解代谢途径（PCP） — 木糖醇脱氢酶（XDH） 催化 将木糖醇转化为木酮糖，NAD+依赖性
Rhizopus oryzae 磷酸戊糖途径（PPP） — — — 提供NADPH和碳骨架，但木糖代谢中碳流受限
Rhizopus oryzae 富马酸生物合成途径（还原性三羧酸循环） — — — 以NADH为辅助因子，积累富马酸

关键发现

  1. 优化酸预处理（100°C、30分钟）使麦麸水解液中葡萄糖浓度达4.8g/L，富马酸浓度达3.5g/L，比未加酸1#分别提高3.2倍和4.4倍
  2. 种子培养基优化后菌体形态为0.55mm小球
  3. 代谢谱分析显示木糖代谢中木糖醇（相对丰度0.49对0.01）、景天庚酮糖-7-磷酸、核酮糖-5-磷酸、葡萄糖-6-磷酸、脯氨酸、丝氨酸为关键差异物
  4. 添加烟酸25mg/L（36h）使富马酸从6.02g/L提高到8.54g/L
  5. 添加维生素C 0.1g/L（24h）提高28%至7.71g/L
  6. 转速230rpm时产量8.01g/L
  7. 添加柠檬酸钠0.3g/L（48h）提高38%至8.32g/L
  8. 添加丝氨酸0.4g/L（36h）和脯氨酸0.25g/L（36h）分别达到10.33g/L和9.75g/L
  9. 组合策略在木糖培养基中达15.4g/L，较初始提高149%
  10. 最终以WBH为碳源采用组合调控策略富马酸产量达20.2g/L，比初始培养基提高477%。

研究结论

通过优化预处理、形态控制以及基于代谢组学的调控策略，显著提高了米根霉利用麦麸水解液中木糖生产富马酸的能力，最终产量达到20.2g/L，为低成本可再生资源生产富马酸提供了有效方法。