Comparison of Glucose and Glycerol as Carbon Sources for \(\epsilon\) -Poly-L-Lysine Production by Streptomyces sp. M-Z18
- 作者
- Xu-Sheng Chen, Zhong-Gui Mao
- 杂志
- Applied Biochemistry and Biotechnology（2013）
- DOI
- 10.1007/s12010-013-0167-5
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
比较葡萄糖与甘油作为碳源对ε-聚赖氨酸生产的影响，并阐明甘油优于葡萄糖的生理代谢机制。
研究策略
通过分批和补料分批发酵比较两种碳源下的ε-PL产量和细胞生长，测定关键酶（PEPC、ASPK、Pls）活性，并结合代谢通量分析揭示碳代谢流分布差异。
核心内容
本研究以Streptomyces sp. M-Z18为对象，系统比较了甘油与葡萄糖作为碳源对ε-聚赖氨酸（ε-PL）生产的影响，并从酶活与代谢通量层面解析了甘油的促进机制。在分批发酵中，甘油组的ε-PL最终产量达7.22 g/L，较葡萄糖组提高44.4%。补料分批发酵中，甘油组的最高ε-PL浓度达30.11 g/L，产率为4.18 g/L/day，产率系数为0.132 g/g，分别较葡萄糖组提高22.7%、19.1%和53.5%；同时最大干细胞量达40.66 g/L，较葡萄糖组提升65.8%。酶活测定显示，甘油培养下ε-PL合成酶（Pls）在24 h和36 h的活性分别为葡萄糖组的2.3倍和3.6倍，天冬氨酸激酶（ASPK）活性也更高。代谢通量分析表明，甘油条件下碳流进入ε-PL合成途径的通量（16.0 vs 12.8 mmol/g DCW/h）较葡萄糖高25%，草酰乙酸流向天冬氨酸的通量也增加16.7%。结果表明，甘油是替代葡萄糖的优良碳源，其优势在分批发酵中源自对关键酶活性的提升及碳代谢流的重新分配，在补料分批发酵中则因避免了稀释效应而提高了生物量积累。
创新点
首次系统比较甘油与葡萄糖作为ε-PL生产碳源的发酵性能，并从关键酶活性和代谢通量角度阐明了甘油促进ε-PL合成的机制。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Streptomyces sp. M-Z18 | 回补途径 | — | phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) | 催化 | 催化磷酸烯醇式丙酮酸转化为草酰乙酸；甘油培养时活性低于葡萄糖 |
| Streptomyces sp. M-Z18 | 天冬氨酸族氨基酸合成途径 | — | aspartate kinase (ASPK) | 催化 | 催化天冬氨酸转化为4-磷酸-L-天冬氨酸；甘油培养时活性高于葡萄糖 |
| Streptomyces sp. M-Z18 | ε-PL合成途径 | — | ε-PL synthetase (Pls) | 催化 | 催化L-赖氨酸聚合为ε-PL；甘油培养时24h和36h活性分别比葡萄糖提高2.3倍和3.6倍 |
关键发现
- 分批发酵中，甘油最终ε-PL产量为7.22 g/L，比葡萄糖提高44.4%
- 补料分批发酵中，甘油最高ε-PL浓度30.11 g/L、生产率4.18 g/L/day、产率0.132 g/g，比葡萄糖分别提高22.7%、19.1%、53.5%；最大DCW
- 66 g/L、细胞生产率5.64 g/L/day，分别提高65.8%和61.1%
- 甘油培养中Pls活性在24h和36h分别比葡萄糖高2.3倍和3.6倍，ASPK活性也高于葡萄糖
- 代谢通量分析显示，甘油条件下碳通量进入ε-PL合成比葡萄糖高25%（Lys→ε-PL通量为16.0 vs
- 8 mmol/g DCW/h），草酰乙酸→天冬氨酸通量提高16.7%（18.2 vs
- 6）。
研究结论
甘油是替代葡萄糖用于ε-PL生产的优良碳源；分批发酵中甘油优势源于提高ASPK和Pls活性、促进碳流向ε-PL合成，补料分批发酵中则因避免稀释效应而提高生物量。