Cell adaptation to solvent, substrate and product: a successful strategy to overcome product inhibition in a bioconversion system
- 作者
- Carla C. C. R. de Carvalho, Alessandro Poretti, M. Manuela R. da Fonseca
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2005）
- DOI
- 10.1007/s00253-005-1967-5
- 所属领域
- 生物催化与发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
香芹酮（carvone）在生物转化过程中浓度超过50 mM时会强烈抑制其自身生产并导致细胞活力丧失，需要克服产物抑制以实现高效生产。
研究策略
在正十二烷（n-dodecane）两相体系中，将Rhodococcus erythropolis DCL14细胞暴露于逐渐升高的底物（carveol）和产物（carvone）浓度中进行长期适应，随后在气升式柱反应器中进行生物转化，并通过荧光显微和图像分析监测细胞活性与分布。
核心内容
本研究针对香芹酮生物转化中产物浓度超过50 mM即强烈抑制自身生产并导致细胞活力丧失的问题，采用细胞长期适应策略加以克服。作者将Rhodococcus erythropolis DCL14在含正十二烷的两相体系中暴露于逐渐升高的底物香芹醇和产物香芹酮浓度，适应时间最长达到268小时，随后在气升式柱反应器中实施生物转化，并通过荧光显微与图像分析追踪细胞活性和分布。结果显示，经197小时适应后的细胞较未适应细胞的生产速率提高8.3倍；经268小时适应后，终产物浓度达到1.03 M，产率达0.96 g香芹酮 g香芹醇−1。对照实验表明，初始香芹酮浓度为50 mM时生产速率降至无香芹酮时的60.9%，100 mM时细胞活力下降44.8%。研究还发现，适应期过长或过短均降低效果，且磷酸盐缓冲液中的最大生产速率仅为矿物培养基的约60%。该策略通过促进细胞在有机相中缓慢生长并增强耐受性，有效破解了产物抑制瓶颈，为高浓度产物生物转化体系的设计提供了可行思路。
创新点
利用长时间细胞适应策略（最长268 h）使香芹酮产量大幅提升；在未搅拌的气升式反应器中实现1.03 M的香芹酮终浓度；结合荧光显微镜单细胞分析揭示细胞从水相向有机相迁移及种群生长的适应机制。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodococcus erythropolis DCL14 | carveol氧化为carvone的生物转化通路 | — | carveol脱氢酶（CDH）家族，主要NAD依赖型 | 催化 | 将(-)-carveol转化为(-)-carvone；多个脱氢酶依赖不同辅因子，主要活性为NAD依赖。 |
| Rhodococcus erythropolis DCL14 | 溶剂耐受与细胞适应相关膜脂代谢 | — | — | 调控 | 细胞在正十二烷/萜烯体系中通过改变膜脂肪酸饱和度和疏水性适应有机溶剂和毒性产物。 |
| Rhodococcus erythropolis DCL14 | n-十二烷代谢 | — | — | 能量供给 | 细胞能够以n-十二烷作为碳源和能量来源维持生长，但与萜烯相比生长较慢。 |
关键发现
- 在65 ml气升式柱反应器中，经197 h适应的细胞较未适应细胞香芹酮生产速率提高8.3倍
- 经268 h适应后，最终香芹酮浓度达1.03 M，生产率为0.19 mg香芹酮 h-1 (ml有机相)-1，产率达0.96 g香芹酮 g香芹醇-1。初始香芹酮浓度50 mM时，生产速率降至无香芹酮时的60.9%（110.9→67.6 nmol min-1 mg protein-1），100 mM时细胞活力下降44.8%
- 在130 ml反应器中经136 h适应后产率提高18.7倍，经740 h适应后终浓度为267.1 mM（室温）和407.2 mM（28°C）。在磷酸盐缓冲液中最大生产速率和最大香芹酮浓度仅为矿物培养基的约60%。
研究结论
通过控制适应期时长和培养基组成，使R. erythropolis DCL14在含carveol和carvone的正十二烷体系中缓慢生长并增强耐受性，可有效克服产物的自身抑制，显著提高香芹酮的生产速率和最终浓度。每个反应器条件存在最佳适应期，过长或过短均会降低效果；细胞在适应期间的增长是种群适应和耐受增强的关键。