Fast Dynamic Response of the Fermentative Metabolism of Escherichia coli to Aerobic and Anaerobic Glucose Pulses
- 作者
- Alvaro R. Lara, Hilal Taymaz-Nikerel, Mlawule R. Mashego, Walter M. van Gulik, Joseph J. Heijnen, Octavio T. Ramirez, Wouter A. van Winden
- 单位
- Departamento de Procesos y Tecnologia, Universidad Autónoma Metropolitana-Cuajimalpa, Mexico; Department of Biotechnology, Delft University of Technology, Delft, the Netherlands; Kluyver Centre for Genomics of Industrial Fermentation, Delft, the Netherlands; Departamento de Medicina Molecular y Bioprocesos, Instituto de Biotecnología, Universidad Nacional Autónoma de Mexico, Cuernavaca, Morelos, Mexico
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（2009）
- DOI
- 10.1002/bit.22503
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
大型生物反应器中葡萄糖与溶解氧梯度导致大肠杆菌混合酸发酵代谢快速响应，产生乙酸、甲酸等副产物，降低过程效率；现有研究未能解耦两种梯度，且采样时间分辨率不足。
研究策略
采用两室生物反应器系统（恒化器连接迷你活塞流反应器BioScope）模拟大型反应器中的底物和氧梯度；在葡萄糖限制稳态下施加葡萄糖脉冲，分别维持有氧或厌氧条件，于92秒内通过11个采样点快速监测细胞外代谢物积累。
核心内容
本研究利用两室生物反应器系统（恒化器连接迷你活塞流反应器BioScope）模拟大型生物反应器中的底物与氧梯度，在大肠杆菌K-12 W3110葡萄糖限制稳态（稀释率0.1 h⁻¹）下施加有氧或厌氧葡萄糖脉冲，以2秒级采样分辨率在92秒内追踪细胞外代谢物动态，成功解耦了底物梯度与溶氧耗尽效应。结果显示，完全有氧条件下葡萄糖脉冲在2秒内即诱导乙酸和甲酸积累，前10秒比产率分别达4.71和5.36 mmol/g h，之后迅速回落，总碳损失3.29%；厌氧脉冲下葡萄糖摄取速率升至31 mmol/g h（超过稳态20倍），甲酸、乙酸、乙醇、乳酸和琥珀酸均在2秒内产生，最大浓度分别为0.38、0.43、0.20、0.11和0.05 mM，碳损失达13.4%。这种极速代谢切换由细胞固有基础酶水平（如丙酮酸甲酸裂解酶PFL）驱动，无需新蛋白质合成，说明底物梯度本身即可单独触发混合酸发酵。该CSTR/BioScope系统为解析工业规模反应器梯度效应和筛选抗梯度工程菌株提供了高时间分辨率的有效工具。
创新点
['首次在完全有氧与完全厌氧条件下分别研究葡萄糖梯度效应，成功解耦底物梯度与溶氧耗尽效应', '利用BioScope实现2秒级采样，比以往研究（14秒起）时间分辨率显著提高', '发现完全有氧条件下葡萄糖脉冲即可在2秒内诱导乙酸和甲酸积累，表明基础PFL活性足够驱动快速响应', '揭示了厌氧条件下所有混合酸发酵产物（甲酸、乙酸、乳酸、乙醇、琥珀酸）在2秒内快速产生']
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli K-12 W3110 | 混合酸发酵（乙酸合成） | — | 磷酸转乙酰酶（PTA） | 催化 | 组成型酶，响应葡萄糖溢流，将乙酰CoA转化为乙酰磷酸 |
| Escherichia coli K-12 W3110 | 混合酸发酵（乙酸合成） | — | 乙酸激酶（ACK） | 催化 | 与PTA偶联，将乙酰磷酸转化为乙酸 |
| Escherichia coli K-12 W3110 | 混合酸发酵（乙酸合成） | — | 丙酮酸氧化酶（PoxB） | 催化 | 可能参与有氧及波动溶氧下的乙酸形成 |
| Escherichia coli K-12 W3110 | 混合酸发酵（甲酸合成） | pfl | 丙酮酸甲酸裂解酶（PFL） | 催化 | 有氧条件下存在基础水平，催化丙酮酸转化为乙酰CoA和甲酸 |
| Escherichia coli K-12 W3110 | 甲酸代谢 | — | 甲酸氢裂解酶（FHL）复合体 | 催化 | 将甲酸分解为CO2和H2，需要硒作为辅因子 |
| Escherichia coli K-12 W3110 | 混合酸发酵（乙醇合成） | adhE | 乙醇脱氢酶（ADH） | 催化 | 通常被认为厌氧诱导，但有氧条件下也存在基础活性 |
| Escherichia coli K-12 W3110 | 混合酸发酵（乳酸合成） | — | 乳酸脱氢酶（LDH） | 催化 | 有氧和厌氧条件下均存在，但需培养基酸化才诱导表达 |
| Escherichia coli K-12 W3110 | 葡萄糖摄取 | — | 葡萄糖磷酸转移酶系统（PTS） | 转运 | 葡萄糖内化伴随每摩尔葡萄糖消耗一摩尔PEP转化为丙酮酸 |
关键发现
- 在葡萄糖限制恒化器（D=0.1 h^-1）稳态下，生物量2.79±0.03 g/L，残余葡萄糖0.14±0.01 mM，qS=1.35±0.04 mmol/g h，qO2=3.78±0.14 mmol/g h。有氧葡萄糖脉冲后，qS升至15±1 mmol/g h（约11倍），qO2升至16 mmol/g h（4倍）
- 乙酸和甲酸在2秒内积累，前10秒比产率分别为4.71±0.30和5.36±0.06 mmol/g h，后82秒降至0.53±0.01和0.19±0.03 mmol/g h
- 总葡萄糖消耗1.06 mM，碳损失3.29%。厌氧脉冲后，qS达31±3 mmol/g h（>20倍），甲酸、乙酸、乙醇、乳酸、琥珀酸最大浓度分别为0.38±0.02、0.43±0.02、0.20±0.01、0.11±0.01、0.05±0.01 mM，对应比产率分别为6.09±0.18、3.95±0.55、2.35±0.36、1.56±0.08、0.45±0.03 mmol/g h
- 葡萄糖消耗2.22 mM，碳损失13.4%。
研究结论
大肠杆菌在葡萄糖梯度暴露后不到2秒即启动混合酸发酵代谢，完全有氧条件下积累乙酸和甲酸，厌氧条件下产生全部混合酸发酵产物。该快速响应由细胞固有基础酶水平（如PFL）驱动，无需新蛋白质合成。CSTR/迷你PFR（BioScope）系统成功解耦底物与氧梯度，可用于测试抗梯度性能的工程菌株。