Towards the design of an optimal strategy for the production of ergosterol from Saccharomyces cerevisiae yeasts
- 作者
- Jan Náhlík, Pavel Hrnčiřík, Jan Mareš, Mojmír Rychtera, Christopher A. Kent
- 单位
- Department of Computing and Control Engineering, University of Chemistry and Technology, Prague, Czech Republic; Department of Biotechnology, University of Chemistry and Technology, Prague, Czech Republic; School of Chemical Engineering, College of Engineering and Physical Sciences, University of Birmingham, Edgbaston, Birmingham, U.K.
- 杂志
- Biotechnology Progress（2017）
- DOI
- 10.1002/btpr.2436
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何同时提高酿酒酵母发酵产麦角固醇的总产量（生物量与胞内麦角固醇含量的乘积）和麦角固醇纯度（麦角固醇占总固醇的百分比），以实现高效的下游加工。
研究策略
采用基于知识的生理状态控制系统（BIOGENES®），在线推断培养物的当前代谢状态，并施加不同的代谢状态序列，系统研究各代谢状态下麦角固醇含量和纯度的动态变化，据此设计最优培养策略。
核心内容
本研究利用基于知识的生理状态控制系统（BIOGENES®）在线推断酿酒酵母D7菌株的代谢状态，系统考察了不同代谢状态序列下胞内麦角固醇含量与纯度的动态变化，并据此设计了最优培养策略。研究将传统边界状态细分为氧化边界状态（MS0）和氧化-发酵边界状态（MS2），揭示出MS0几乎总导致麦角固醇纯度大幅下降（92%的情况下呈下降趋势，纯度从95%骤降至65–67%），而MS3（葡萄糖氧化-发酵生长）最有利于含量积累与纯度维持。据此提出避开MS0、MS1、MS2和MS5，采用MS3与MS4（葡萄糖+乙醇氧化生长）交替组合的新策略。在该策略下（实验11），总生产效率达103.84×10⁻⁶ g·L⁻¹·h⁻¹，为标准面包酵母补料分批培养平均值（32.14×10⁻⁶ g·L⁻¹·h⁻¹）的3倍以上，最终麦角固醇含量占干重2.43%，纯度达86%，优于工业上70–80%的常规水平。该结果表明，通过生理状态调控可同时兼顾高产量与高纯度，为麦角固醇工业化生产提供了有效控制方案。
创新点
将麦角固醇纯度作为与产量同等重要的评价指标；将原有的边界状态细分为氧化边界状态（MS0）和氧化-发酵边界状态（MS2）；提出避开MS0、MS1、MS2和MS5，以MS3（葡萄糖氧化-发酵生长）和MS4（葡萄糖+乙醇氧化生长）交替组合的新培养策略。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae strain D7 (UV mutant) | 麦角固醇生物合成通路 | — | — | 催化 | UV突变体，用于提高麦角固醇生物合成能力 |
| Saccharomyces cerevisiae strain D7 | 葡萄糖氧化发酵与乙醇氧化代谢（代谢状态MS3和MS4） | — | — | 能量供给 | 最优策略中两个关键代谢状态，MS3为氧化-发酵生长（葡萄糖），MS4为氧化生长（葡萄糖+乙醇同时利用） |
关键发现
- 采用新策略（实验11）的总生产效率为103.84×10⁻⁶ g·L⁻¹·h⁻¹，是标准面包酵母补料分批培养平均值32.14×10⁻⁶ g·L⁻¹·h⁻¹的3倍以上
- 最终麦角固醇含量占干重2.43%，纯度达86%，优于工业报道的70-80%
- 实验8和9中，氧化边界状态MS0使麦角固醇纯度从95%急剧下降至65-67%
- 在各代谢状态中，MS3最有利于麦角固醇含量增加和纯度维持（UP+STEADY比例55%），MS0几乎总导致纯度下降（DOWN占92%）。
研究结论
通过生理状态控制，可以同时实现高麦角固醇产量和高纯度。提出的最优策略（MS3+MS4交替）显著优于传统补料分批培养，且所得产品纯度满足下游加工要求，为工业规模化生产麦角固醇提供了有效控制方案。