A Modified Metabolic Model for Mixed Culture Fermentation With Energy Conserving Electron Bifurcation Reaction and Metabolite Transport Energy
- 作者
- Fang Zhang, Yan Zhang, Man Chen, Mark C.M. van Loosdrecht, Raymond J. Zeng
- 单位
- School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China; Department of Chemistry, University of Science and Technology of China; Department of Biotechnology, Delft University of Technology
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（2013）
- DOI
- 10.1002/bit.24855
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
改进混合培养发酵（MCF）代谢模型，解决Rodriguez模型预测与实验结果不一致的问题，尤其是NADH作为唯一产氢还原当量及有机酸转运能量处理不当导致预测失真。
研究策略
在Rodriguez模型基础上，引入能量守恒电子歧化反应（涉及Fdred/Fdox和NADH/NAD+），将产氢过程分为三个阶段；同时假设质子驱动力恒定，并采用与辛醇-水分配系数成比例的转运速率系数，修正代谢物转运能耗。
研究路线图
核心内容
该研究针对Rodriguez混合培养发酵代谢模型预测与实验结果不符的问题进行了修正，核心在于该模型将NADH视为唯一产氢还原当量且对有机酸转运能量处理不当。改进策略是在原模型基础上引入能量守恒电子歧化反应，将产氢过程划分为三个氢分压阶段，耦合铁氧还蛋白与NADH/NAD+的电子转移，并在丁酸合成中纳入巴豆酰-CoA还原与铁氧还蛋白还原的偶联；同时假设质子驱动力恒定，依据辛醇-水分配系数排序设置有机酸转运速率系数，将非线性优化转为线性系统。修正后模型预测与文献数据高度吻合：pH 5.5~6.0时氢产率约2.2 mol/mol葡萄糖，中性至碱性pH下降至0.7；低底物浓度下以乙酸和丁酸为主，氢产率保持2.2，浓度超过0.13 mol/L时乙醇成为主要产物；氢分压从1E-5 atm升至0.4 atm时氢产率由3.3降至2.2，乙酸由3.3降至0.4 mol/mol葡萄糖。结果表明，能量守恒电子歧化反应与代谢物转运能的引入使模型更具生化真实性，可适用于多种发酵系统的预测。
创新点
['将产氢过程划分为三个氢分压阶段，耦合Fdred/Fdox与NADH/NAD+的电子转移，精细调控胞内氧化还原平衡', '在丁酸合成和产氢中引入能量守恒电子歧化反应（如巴豆酰-CoA还原与铁氧还蛋白还原偶联）', '提出恒定的质子驱动力用于有机酸转运，转运速率系数依据辛醇-水分配系数排序（乳酸<丁酸<乙酸<丙酸）', '采用线性优化系统（因pmf恒定使非线性优化转为线性）']
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 混合培养微生物（以Clostridium sp.为主） | 葡萄糖混合培养发酵 | — | 铁氧还蛋白（ferredoxin, Fdred/Fdox） | 能量供给 | 作为电子载体参与产氢及能量守恒电子歧化反应，调节胞内氧化还原平衡 |
| 混合培养微生物（以Clostridium sp.为主） | 丁酸合成 | — | 丁酰-CoA脱氢酶/Etf复合物（butyryl-CoA dehydrogenase/Etf complex） | 催化 | 催化巴豆酰-CoA还原为丁酰-CoA，同时还原Fdred，实现能量守恒电子歧化 |
| 混合培养微生物（以Clostridium sp.为主） | 氢气产生 | — | [FeFe]氢化酶 | 催化 | 协同利用Fdred和NADH产氢，支持能量守恒电子歧化反应 |
| 混合培养微生物（以Clostridium sp.为主） | 代谢物转运/能量代谢 | — | 膜结合ATP合酶（membrane-bound ATPase） | 能量供给 | 利用质子驱动力（pmf）合成ATP，并参与有机酸外排相关的能量耗散 |
| 混合培养微生物（以Clostridium sp.为主） | 丁酸产生（低乙酸浓度） | — | 磷酸转丁酰酶和丁酸激酶（phosphotransbutyrylase and butyrate kinase） | 催化 | 低乙酸浓度下丁酸生成的主要途径，在模型中采用 |
| 混合培养微生物（以Clostridium sp.为主） | 丁酸产生（高乙酸浓度） | — | 丁酰-CoA:乙酸CoA转移酶（butyryl-CoA:acetate CoA-transferase） | 催化 | 高乙酸浓度（30-80 mM）时转换途径，能量产率较低（0 ATP），本文模型未纳入 |
关键发现
- 模型预测与文献实验数据更吻合：pH 5.5-6.0时氢产率约2.2 mol/mol_glucose，中性/碱性pH下降至0.7 mol/mol_glucose
- pH<6.0时主要产物为乙醇、乙酸和丁酸，pH>6.0时变为乙酸和丙酸
- 葡萄糖浓度低于0.06 mol/L时以乙酸和丁酸为主，氢产率2.2 mol/mol_glucose，高于0.06 mol/L时乙醇生成、丁酸和氢分别降至0.3和1.8 mol/mol_glucose，高于0.13 mol/L时乙醇成为主要产物
- 氢分压从1E-5 atm升至0.4 atm时，氢产率从3.3降至2.2 mol/mol_glucose，乙酸从3.3降至0.4 mol/mol_glucose，丁酸从0增至0.7 mol/mol_glucose。维护能规定为3.79 kJ/(mol_x h)。
研究结论
改进后的混合培养发酵代谢模型在pH、底物浓度和氢分压扰动下的代谢产物分布预测与文献实验结果高度一致，证明引入能量守恒电子歧化反应和代谢物转运能是合理且必要的，模型更具生化和生理学真实性，可用于多种发酵系统。