Metabolic flux analysis model for optimizing xylose conversion into ethanol by the natural C5-fermenting yeast Candida shehatae
- 作者
- Carine Bideaux, Julie Montheard, Xavier Cameleyre, Carole Molina-Jouve, Sandrine Alfenore
- 单位
- Université de Toulouse; INSA; INRA; CNRS
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2016）
- DOI
- 10.1007/s00253-015-7085-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
木糖向乙醇转化过程中氧气的定量作用不明确，缺乏对Candida shehatae代谢通量分布和理论乙醇产率的系统描述，导致难以优化木糖发酵产乙醇。
研究策略
构建包含木糖代谢第一步木糖还原酶辅酶依赖系数的区室化代谢通量分析模型，结合实验数据进行验证，并通过恒化培养调控氧气/木糖比来优化乙醇产率。
研究路线图
核心内容
该研究针对天然木糖发酵菌株Candida shehatae代谢木糖产乙醇过程中氧气定量作用不明确的问题，构建了包含137个代谢物和122个胞内反应的区室化代谢通量分析模型。模型创新性地引入代数系数表征木糖还原酶对NADH/NADPH的双重辅酶依赖性，并通过恒化培养实验调控氧气与木糖的比例对模型进行验证。模型预测的理论最大乙醇产率为0.62 Cmol乙醇/Cmol木糖，对应最佳氧气需求为0.33 mol氧/mol木糖。在恒化培养中，当氧气/木糖比为0.47 mol/mol时获得最佳实验乙醇产率0.51 Cmol乙醇/Cmol木糖，达到理论产率的85%，且实验产率与氧气/木糖比呈高度线性关系（R²=0.9997）。补料分批培养中生物量浓度达到约65 g CDW/L，乙醇产量接近35 g/L。该模型系统阐明了氧气供给对木糖代谢通量分配的决定性作用，证明较低的氧气/木糖比有利于提高乙醇产率，为优化木糖产乙醇的工艺条件提供了可靠的理论指导。
创新点
在MFA模型中引入代数系数coeffnadh表征木糖还原酶对NADH/NADPH的双重依赖性；构建包含122个线性方程的区室化代谢网络；通过模型预测理论最大乙醇产率并建立与氧气/木糖比的线性关系。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Candida shehatae ATCC 22984 | 木糖代谢途径 | — | 木糖还原酶（XR） | 催化 | 木糖降解第一步酶，同时依赖NADH和NADPH，通过coeffnadh系数表征 |
| Candida shehatae ATCC 22984 | 磷酸戊糖途径 | — | — | 催化 | 包含氧化和非氧化阶段，受氧气和辅因子影响 |
| Candida shehatae ATCC 22984 | 糖酵解 | — | 磷酸葡萄糖异构酶 | 催化 | 通量r3，对coeffnadh变化敏感 |
| Candida shehatae ATCC 22984 | 三羧酸循环 | — | — | 催化 | 通量r88等，随氧气/木糖比降低而减小 |
| Candida shehatae ATCC 22984 | 呼吸链 | — | — | 能量供给 | 氧化磷酸化PO系数固定为1.33 |
| Candida shehatae ATCC 22984 | 线粒体穿梭 | — | 乙醇-乙醛穿梭相关脱氢酶 | 调控 | NADH依赖的线粒体乙醇脱氢酶，调节胞质和线粒体NADH平衡 |
| Candida shehatae ATCC 22984 | 膜运输 | — | 质子同向转运体 | 转运 | 铵、硫酸根、磷酸根的质子同向转运；其他代谢物简单扩散 |
关键发现
- 构建的Candida shehatae代谢模型包含137个代谢物和122个胞内反应，模型验证中生物量和CO2速率的平均二次偏差分别为3.5%和0.1%
- 理论最大乙醇产率为0.62 Cmol乙醇/Cmol木糖，对应氧气需求0.33 mol氧/mol木糖
- 在恒化培养中，氧气/木糖比为0.47 mol/mol时获得最佳实验乙醇产率0.51 Cmol乙醇/Cmol木糖，为理论产率的85%
- 三个稳态下乙醇产率分别达到理论值的50%、72%和85%
- 实验乙醇产率与氧气/木糖比呈线性关系Y乙醇/木糖=-0.3027×ratio氧气/木糖+0.6524，R²=0.9997
- 最大比生长速率0.43 h⁻¹，平均生物量产率0.49 g/g木糖（为理论产率的96%），瞬时最大乙醇产率0.35 g/g
- 在补料分批培养中，生物量浓度达到约65 g CDW/L，乙醇产量接近35 g/L。
研究结论
代谢通量分析模型成功描述了Candida shehatae的木糖代谢，证明较低的氧气/木糖比有利于提高乙醇产率；通过控制氧气和木糖摄取，在恒化培养中获得0.51 Cmol/Cmol的乙醇产率，验证了模型预测的有效性，并为优化木糖产乙醇提供了理论指导。