Substrate type and CO2 addition significantly influence succinic acid production of Basfia succiniciproducens
- 作者
- Márta Balázs, Hunor Bartos, Szabolcs Lányi, Zsolt Bodor, Ildikó Miklóssy
- 单位
- Faculty of Science, University of Pécs; Department of Bioengineering, Sapientia Hungarian University of Transylvania; Institute for Research and Development of Hunting and Mountain Resources
- 杂志
- Biotechnology Letters（2023）
- DOI
- 10.1007/s10529-023-03406-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究不同碳源（葡萄糖、木糖、甘油）及CO2/CO2+空气气体条件对Basfia succiniciproducens产丁二酸的影响，评估木糖和甘油作为替代原料的可行性，并优化发酵参数以扩大底物谱。
研究策略
结合in silico代谢模型（通量平衡分析、生产包络面分析）与湿实验（微孔板、摇瓶、生物反应器），通过RT-qPCR分析关键基因表达，系统考察底物和气体条件对菌株生长、底物消耗及有机酸代谢的影响。
研究路线图
核心内容
本研究以Basfia succiniciproducens DSM-22022为对象，系统考察了葡萄糖、木糖和甘油三种碳源在CO2及CO2/空气两种气体条件下的丁二酸发酵性能。通过扩展代谢模型、结合通量平衡分析与湿实验，并借助RT-qPCR分析关键基因表达，研究发现底物类型和气体条件显著影响菌株代谢。摇瓶实验中，木糖和甘油培养下ldhA基因表达较葡萄糖上调约1.5倍。生物反应器结果表明，葡萄糖为最优底物，丁二酸产率达0.437 mM·mM-1；木糖次之，在单独CO2条件下产率0.277 mM·mM-1；甘油则在CO2/空气条件下产率更高（0.184 mM·mM-1），且生物量接近单独CO2的三倍。in silico预测虽显示木糖具有较高理论生产潜力，但实测葡萄糖仍为最佳碳源。该研究证实B. succiniciproducens具备利用木糖和甘油产丁二酸的天然能力，为扩大原料谱及优化气体供给策略提供了实验依据。
创新点
扩展了B. succiniciproducens的代谢模型，加入木糖异构酶、木酮糖激酶和甘油激酶反应；首次系统比较了葡萄糖、木糖、甘油在CO2和CO2/AIR条件下的发酵性能；发现CO2/AIR气体条件对甘油产丁二酸有显著促进作用；揭示ldhA基因在不同碳源下的差异表达模式。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Basfia succiniciproducens DSM-22022 | 丁二酸生物合成（发酵途径） | ldhA | 乳酸脱氢酶 | 催化 | 乳酸生成途径，在木糖和甘油培养中表达量较葡萄糖上调约1.5倍 |
| Basfia succiniciproducens DSM-22022 | 丙酮酸代谢 | pflD | 丙酮酸甲酸裂解酶 | 催化 | 催化甲酸生成，木糖和甘油培养中转录水平相对葡萄糖降低（0.27和0.16） |
| Basfia succiniciproducens DSM-22022 | 糖磷酸转移酶系统（PTS） | fruA | 果糖特异性PTS组分 | 转运 | 参与PEP依赖性果糖磷酸化，与糖转运相关 |
| Basfia succiniciproducens DSM-22022 | 果糖代谢 | rbsK | 果糖激酶 | 催化 | PEP非依赖性果糖磷酸化，木糖培养时表达较高，有利于丁二酸合成 |
| Basfia succiniciproducens DSM-22022 | 甘油代谢 | — | 甘油激酶（EC 2.7.1.30） | 催化 | in silico模型中添加以模拟甘油利用 |
| Basfia succiniciproducens DSM-22022 | 木糖代谢 | — | 木糖异构酶（EC 5.3.1.5） | 催化 | in silico模型中添加以模拟木糖利用 |
| Basfia succiniciproducens DSM-22022 | 木糖代谢 | — | 木酮糖激酶（EC 2.7.2.17） | 催化 | in silico模型中添加以模拟木糖利用 |
| Basfia succiniciproducens DSM-22022 | 回补途径（CO2固定） | — | 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 | 催化 | 催化CO2固定生成草酰乙酸，为丁二酸合成提供关键前体 |
关键发现
- ['摇瓶实验中，与葡萄糖相比，木糖和甘油培养中ldhA基因表达水平上调约1.5倍
- 甲酸相关基因在木糖和甘油上相对表达量分别为0.27和0.16。', '生物反应器实验中，甘油为碳源时，CO2/AIR气体相比单独CO2使丁二酸产率更高，为0.184 mM·mM-1
- 木糖为碳源时，单独CO2获得更高丁二酸产率为0.277 mM·mM-1。', '葡萄糖为碳源时获得最高丁二酸产率0.437 mM·mM-1，其次为木糖0.23 mM·mM-1，甘油0.184 mM·mM-1。', '甘油在CO2/AIR条件下生物量几乎为单独CO2的三倍，分别为0.46 g/L和0.16 g/L
- 葡萄糖在单独CO2下生物量0.54 g/L，CO2/AIR下0.38 g/L
- 木糖两种条件下生物量相近（0.72和0.71 g/L）。', '最高生长速率为葡萄糖在CO2条件下的0.739 h-1
- in silico预测木糖为最佳丁二酸生产底物（5.79 mmol·g-1·h-1）。', '有机酸谱分析显示，葡萄糖和木糖发酵主要生成乙酸和甲酸，乙酸产率在葡萄糖上为0.62 mM·mM-1，甲酸为0.581 mM·mM-1
- 木糖在厌氧条件下乙酸产率0.367 mM·mM-1，好氧条件下甲酸0.373 mM·mM-1、乳酸0.067 mM·mM-1。']
研究结论
B. succiniciproducens是适合利用木糖和甘油生产丁二酸的天然菌株，CO2/AIR气体供给对甘油产酸有积极影响，葡萄糖仍为最佳碳源。研究结果为扩大该菌株的原料谱和优化发酵条件提供了依据。