Metabolic analysis of acetate accumulation during xylose consumption by Paenibacillus polymyxa
- 作者
- B. Marwoto, Y. Nakashimada, T. Kakizono, N. Nishio
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2003）
- DOI
- 10.1007/s00253-003-1435-z
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
Paenibacillus polymyxa 消耗木糖时乙酸积累过高，导致2,3-丁二醇产量降低，需阐明乙酸积累的机理并减少副产物以提升丁二醇产量。
研究策略
通过pH受控/不受控批式发酵比较木糖与葡萄糖的产物分布；测定乙酸激酶和磷酸酮醇酶活性；利用碘乙酸抑制EMP途径验证磷酸酮醇酶途径；化学计量学模型估算磷酸酮醇酶贡献；在木糖培养基补料分批培养中补加葡萄糖以减少乙酸积累。
核心内容
本研究以Paenibacillus polymyxa ATCC 12321为对象，探究其消耗木糖时乙酸过度积累导致2,3-丁二醇产量下降的机理。通过pH受控与不受控批式发酵比较木糖和葡萄糖的产物谱，结合酶活测定、碘乙酸抑制实验及化学计量学模型分析，发现木糖生长细胞中乙酸激酶活性（80±5.1 mmol/mg protein/min）比葡萄糖生长细胞高5倍，磷酸酮醇酶活性（139±23 nmol/mg protein/min）高约25倍，而乙酸摄取能力降低。碘乙酸抑制实验证实木糖发酵依赖磷酸酮醇酶途径产乙酸，这是首次报道该途径参与此过程。在木糖补料分批培养中补加葡萄糖，经108 h消耗240 mM木糖和260 mM葡萄糖，产生278 mM丁二醇和仅22 mM乙酸，总丁二醇产率达0.56 mol/mol糖，与理论最大值一致且碳回收102%。结果表明，乙酸积累源于乙酸激酶活性升高、乙酸摄取降低及磷酸酮醇酶表达上调三方面因素；补加葡萄糖能有效抑制乙酸生成并显著提升丁二醇产量，为优化木糖发酵工艺提供了可行策略。
创新点
首次报道P. polymyxa中存在磷酸酮醇酶途径并证明其参与木糖发酵产乙酸；证明木糖生长细胞中乙酸激酶活性比葡萄糖生长细胞高5倍；通过葡萄糖补料使木糖发酵丁二醇产量达到理论最大值0.56 mol/mol。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Paenibacillus polymyxa ATCC 12321 | 木糖代谢/戊糖磷酸途径 | — | 乙酸激酶 | 催化 | 木糖生长细胞活性80±5.1 mmol/mg protein/min，葡萄糖生长细胞15±1.7 mmol/mg protein/min，前者高约5倍，导致乙酸积累。 |
| Paenibacillus polymyxa ATCC 12321 | 乙酰磷酸途径（磷酸酮醇酶途径） | — | 磷酸酮醇酶 | 催化 | 木糖生长细胞活性139±23 nmol/mg protein/min，较葡萄糖生长细胞（6±1 nmol/mg protein/min）高25倍；碘乙酸抑制实验表明该途径参与乙酸形成。 |
关键发现
- pH受控批式培养中，木糖产乙醇0.72 mol/mol、丁二醇0.31 mol/mol、乙酸0.38 mol/mol
- 葡萄糖产乙醇0.74 mol/mol、丁二醇0.46 mol/mol、乙酸0.05 mol/mol。木糖生长细胞乙酸激酶活性80±5.1 mmol/mg protein/min，葡萄糖生长细胞15±1.7 mmol/mg protein/min，相差5倍。木糖生长细胞磷酸酮醇酶活性139±23 nmol/mg protein/min，葡萄糖生长细胞6±1 nmol/mg protein/min，高25倍。含3 mM碘乙酸时木糖生长细胞仍产乙酸0.7 mol/mol木糖，而葡萄糖生长细胞几乎不发酵。补料分批培养108 h消耗240 mM木糖和260 mM葡萄糖，产278 mM丁二醇、293 mM乙醇、22 mM乙酸，总丁二醇产率0.56 mol/mol sugars，碳回收102%。
研究结论
P. polymyxa在木糖上乙酸积累源于三个因素：乙酸激酶活性升高、乙酸摄取能力降低、磷酸酮醇酶表达量升高。在木糖发酵中补加葡萄糖可有效降低乙酸积累并提高丁二醇产量，最终丁二醇产率达0.56 mol/mol，与理论最大产率一致。