Inhibitory effects of substrate and product on the carvone biotransformation activity of Rhodococcus erythropolis
- 作者
- Jenna L. E. Morrish, Andrew J. Daugulis
- 杂志
- Biotechnology Letters（2008）
- DOI
- 10.1007/s10529-008-9686-5
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
定量测定Rhodococcus erythropolis将(-)-trans-carveol生物转化为(R)-(-)-carvone过程中底物和产物在水相中的毒性阈值，并评估单水相反应器的性能上限。
研究策略
通过摇瓶毒性实验测定不同初始底物/产物浓度对生物转化能力的影响，并在单水相生物反应器中进行补料分批生物转化，监测底物和产物浓度随时间的变化，结合细胞形态观察。
研究路线图
核心内容
本研究以Rhodococcus erythropolis DCL14为催化剂，定量考察了底物(-)-trans-carveol和产物(R)-(-)-carvone在水相中的毒性阈值，并评估了单水相补料分批反应器的性能上限。通过摇瓶毒性实验确定，底物carveol的毒性阈值约为500 mg/L，产物carvone约为200–600 mg/L。在单水相反应器中补料添加总计5 mL carveol后，生物转化速率显著下降，最终水相中carvone浓度达478 mg/L，cis-carveol为470 mg/L，总共产出(R)-(-)-carvone 1,434 mg，体积生产力为31 mg/(L·h)。实验表明，细胞暴露于高浓度底物和产物后生长未受抑制，但出现明显形态聚集，反应速率下降归因于底物和产物抑制而非辅因子耗尽或氧限制。这些结果明确了单水相系统的性能瓶颈，为采用两相分配生物反应器递送底物并原位萃取产物以解除抑制提供了直接依据。
创新点
首次定量给出水相中底物和产物的毒性阈值（carveol约500 mg/L，carvone约200–600 mg/L），并提供了单水相系统中底物和产物浓度的时间曲线，明确了反应速率下降由底物/产物抑制引起，而非辅因子耗尽或氧限制。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodococcus erythropolis DCL14 | (-)-trans-carveol 生物转化生成 (R)-(-)-carvone | — | carveol dehydrogenase | 催化 | 催化(-)-trans-carveol转化为(R)-(-)-carvone，需NAD+作为辅因子，由limonene诱导表达 |
关键发现
- 底物carveol的水相毒性阈值约为500 mg/L，产物carvone约为200–600 mg/L
- 在单水相补料分批反应器中，总共添加5 mL carveol后生物转化速率显著下降
- carvone体积生产力为31 mg/(L·h)
- 最终水相中carvone浓度为478 mg/L，cis-carveol浓度为470 mg/L，总共产出(R)-(-)-carvone 1,434 mg
- 暴露后细胞生长不受影响，但出现明显的形态聚集。
研究结论
底物和产物在水相中的积累是抑制生物转化活性的主要原因，所测得的毒性阈值代表了单水相反应器的性能上限；为提升反应器性能，需采用两相分配生物反应器（TPPB）以递送底物并原位萃取产物。